このプロトコルは、最大4匹の動物を対象に多チャンバーベッドを用いて、遺伝子組み換えマウスモデルにおける膵腺癌腫瘍を検出するために最大4隻の動物の並行磁気共鳴画像法(MRI)を行います。この多動物型MRIプロトコルは、腫瘍の検出と測定に迅速かつコスト効率が高く、前臨床試験のための動物選択や腫瘍成長の縦断的モニタリングを促進します。
このプロトコルは、最大4匹の動物を対象に多チャンバーベッドを用いて、遺伝子組み換えマウスモデルにおける膵腺癌腫瘍を検出するために最大4隻の動物の並行磁気共鳴画像法(MRI)を行います。この多動物型MRIプロトコルは、腫瘍の検出と測定に迅速かつコスト効率が高く、前臨床試験のための動物選択や腫瘍成長の縦断的モニタリングを促進します。
MRIのような先進的 なin vivo 画像診断は、前臨床マウスモデルで腫瘍を効果的に検出するための重要な研究ツールです。MRIは腫瘍の位置や大きさに関する詳細な解剖学的情報を提供します。しかし、このイメージング方式は高価かつ時間がかかります。画像画質を損なうことなくこのアクセス障壁を克服するため、多動物MRIプロトコルが導入されました。このプロトコルは4チャンバーベッドインサートを用いて、単一の取得セッションで高解像度の多動物解剖MRIスキャンを取得します。複数のマウスを同時に想像することで、この手術の時間とコストを削減できます。このプロトコルは、遺伝子組み換え Kras駆動 の膵管腺癌マウスモデルにおける腫瘍検出および縦断腫瘍モニタリングの効率を高めるために設計された多動物MRIワークフローを記述しています。この確立された臨床的に重要なKPCモデルは、膵臓発がん、腫瘍進行、治療抵抗性の分子メカニズムに関する貴重な洞察を提供しました。このプロトコルは、KPCモデルにおける標準的な化学療法薬ジェムシタビンの治療効果を検証するために概念実証として適用されます。このMRIガイド付き前臨床試験デザインの今後の応用について簡単に論じ、組み合わせ療法の治療効果を評価する。
膵管腺腺癌(PDAC)は依然として最も致死性の高い悪性腫瘍の一つです。近年生存率はわずかに改善されたものの、5年生存率は依然としてわずか13%です。多くの場合、PDACは進行段階で発見され、局所浸潤や遠隔転移を伴うことが多く、治療が複雑になります。この疾患は生物学的に多様で、非常に浸潤性の腫瘍細胞、密な脱模形成間質、血管形成の不振を特徴とします。この複雑な腫瘍微小環境は、病気の進行に影響を与える細胞的および非細胞的要素を完全に特徴づける努力を妨げ続けています。これに対処するために、ヒトの疾患進行や脱形成を密接に模倣した効果的な前臨床モデルが必要です。
さまざまなマウスモデルを用いてがん進行の生物学的研究や新規治療薬の有効性評価が可能です5,6。KRas駆動の遺伝子組み換えマウスモデル(GEMM)は、ヒトPDACの多くの病態生理的および分子的特徴を再現する膵腫瘍を自発的に発生させます。特に、Kras駆動でp53削除されたKPCモデル(LSL-KrasG12D; p53lox/+;Pdx1-Cre)は、よく特徴づけられたPDAC GEMM 7,8,9です。腫瘍画像診断は前臨床研究の重要な要素です。腫瘍の検出と腫瘍の大きさの測定により、前臨床試験のための動物選定、腫瘍の成長と病変の縦断的モニタリング、治療反応の評価が可能になります。
超音波画像(US)、生物発光(BLI)、コンピュータ断層撮影(CT)、蛍光画像(FLI)、陽電子放出断層撮影(PET)、磁気共鳴画像法(MRI)などの高度な生体内イメージング手法は、KPCモデルおよび類似のPDACモデル12,13,14,15,16で腫瘍画像法に使用できます。.しかし、KPCモデルでの腫瘍画像診断は難易度が高く、それぞれ独自の強みと限界があります。生物発光(BLI)や超音波イメージング(米国)などの光学イメージング技術は非侵襲的でコスト効率が良いです。しかし、特に内臓における空間分解能の限界は、腫瘍体積12、15、17、18との相関が悪いことがある。生物発光にはルシフェラーゼ信号を発現する遺伝子組み換え細胞が必要であり、これは基質の供給、血流、組織の酸素供給にも依存します。コンピュータトモグラフは、造影剤なしでは運動アーティファクトが最小限で高速な画像化を提供しますが、軟部組織のコントラストは劣ります。ヨウ素化造影剤はマウスに毒性を引き起こす可能性があります。蛍光イメージングには造影剤や蛍光プローブが必要であり、腹部臓器からの自己蛍光は感度を低下させます。
他の画像診断法に伴う制約のため、磁気共鳴画像法(MRI)は一般的に深部腫瘍の評価において最も信頼性の高い技術とされ、軟部組織の造影や内部解剖学的構造に対する分子感度が優れています(13,14,15,19).しかし、標準的な前臨床MRIプロトコルは高い運用コストと長期間の取得時間を伴い、多くの研究機関にとって障壁となることがあります。多動物MRIは、スキャン前の動物準備時間(麻酔)、スキャン時間、スキャン後の動物回収時間を短縮することで、このアクセス障壁を克服できます。このプロトコルは、PDAC腫瘍画像診断の技術的実現可能性(図1、図2、図3、図4)および画像結果を用いてジェムシタビンを用いた化学療法治療のために動物を募集することを示しています(図5)。PDAC腫瘍は、標準治療(SOC)化学療法薬に対する耐性に寄与する複数の内在機構を示します。例えば、ジェムシタビン、ジェムシタビン/ナブ-パクリタキセル、またはFOLFIRINOX 2,3,4などです。本プロトコルは、新しい治療薬とSOC化学療法を評価する適切かつ堅牢なプラットフォームを提供し、患者に治療反応を高める可能性のある有望な組み合わせを見つけるための20,21,22,23,24,25,26,27を見つけることができます。
記載されたすべての実験は、ミシガン州立大学の動物管理・利用委員会が承認したプロトコルに従って実施されました。生きた動物を対象としたすべての処置は、動物の福祉と人道的な扱いを確保するための定められたガイドラインに準拠しています。このプロトコルは、PDACのKPCマウスモデルの利用と処理について説明します:LSL-k-Ras G12D(Krastm4Tyj);p53lox/lox(Trp53tm1Brn);Pdx1-Cre (Pdx1-cre6Tuv)9.
1. 前像動物製剤
2. 多動物MRIベッドのセットアップ
3. プレスキャンセットアップとイメージングキャリブレーション
4. 多動物磁気共鳴画像法
5. ネズミの回復
6. 磁気共鳴画像のファイル処理と解析
7. ジェムシタビン治療
KPC動物は生後12週を過ぎて膵臓腫瘍を発症します。多チャンバーMRIベッドを用いて、生後10週からKPCマウスの腫瘍スクリーニングを開始しました。これにより、ジェムシタビン治療による前臨床試験のために、約200 mm3の腫瘍を持つ動物を募集することが可能となりました。腫瘍動態や腫瘍表現の差異が観察されました。ほとんどのKPC腫瘍は単一または優勢な焦点を持つ堅実な成長パターンを示し(図4A)、これにより治療のための動物募集や腫瘍体積評価が容易になりました。しかし、膵臓全体に複数の小さな固形腫瘍が広がっている動物も観察されました(図4A)。一部のPDAC症例では、腫瘍内液体充填の嚢胞性病変、腫瘍周囲の非腫瘍性嚢胞病変、胆嚢および/または膵臓の管閉塞による液体貯留を伴うこともあります。(図4A)
募集後、動物は無作為に2つの実験群に割り当てられました。1つは治療を受けていない対照群、もう1つは週2回、100 mg/kgの腹膜内(ip.)投与を受けた治療群です。合計23頭の適格動物のうち、対照群には雌4頭と雄7頭、治療群には雌6頭と雄6頭が割り当てられました。週1回のMRIスキャンは多動物ベッドシステムを用いて実施され(図5A)、これにより対照群と治療群の両方で腫瘍成長動態の変化を継続的にモニタリングできました(図5B)。
処理された画像データによると、ジェムシタビン治療済みKPCモデルの腫瘍は未治療対照群に比べて成長パターンが遅いことが示されており(図5C)、未治療群は治療コホートの全生存率に統計的に有意な増加(Logランク検定、p = 0.04)増加と関連しています(図5D).未治療のKPCの中央値生存期間は20週でしたが、治療群は中央値生存期間が23週間以上延長されました(図5D)。

図1:多動物磁気共鳴画像法のワークフロー、画像処理および解析。 多動物MRIプロトコルの主要なステップは、前スキャン準備から画像誘導前臨床試験まで強調されています。最大4頭の動物が誘導チャンバーで麻酔(プレスキャン準備)され、多動物ベッド(多動物MRIベッドセットアップ)への配置準備が行われます。動物の2×2構成(上区画に2人、下部区画に2人)でのプレスキャン画像に続き、磁気共鳴スキャン(MRイメージング)が行われます。各動物の画像データは個別のファイルとして保存され、独立して分析されます(画像解析)。画像検出や腫瘍の大きさは、前臨床試験の動物選定や治療反応のモニタリング(前臨床試験)に使用されます。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図2:多動物MRIのセットアップからスキャンまでの主要ステップ。(A) カスタム多動物MRIベッドシステムの上部パネル 。専用の3Dプリントベッドインサートは、統合された麻酔ポートを備えています。標準的な単一ラットPET/MRIベッドホルダーに収まります。下部パネルでは、これらの3Dプリントインサートがベッドを2つのチャンバーに分割し、最大4匹の動物を同時に撮影できます。動物1と2は上部インサートの上に、動物3と4は下部インサートの上に配置されています。STLビューアの3Dプリンターインサートの横面および前面修正面が示されています。 (B) マウスを多室MRIベッドに順次配置(上から下へ)。上の画像は、3Dプリントインサートの下部(左と右)に腹部に置かれた2匹の動物で、これはベンダー提供のPET/MRIベッドの内側にあります。中央の画像では、残りの2匹のマウスが3Dプリントインサートの上部(左右)の腹側位置に配置されています。上部インサートの左側に位置するマウスには呼吸モニターが取り付けられています。下の画像:カバーを上に置いた4匹の動物の完成した組み立て。すべての動物は鼻のコーンに頭部を固定し、麻酔を維持します(イソフルラン1.5〜2%、酸素0.8〜2 L/min)。4匹すべての動物をMRIベッドホルダーに最終配置し、麻酔投与、温水器、バイタルモニタリングシステムを備え、MRIスキャンと全動物のデータ取得を一度のセッションで行います。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図3:多動物MRIスキャンによるデータ収集と処理。(A) 4匹すべての初期MRIスキャンの代表的な図(内側平面)。 (B) マルチチャンバーベッド内の4匹のマウスのMRIスキャン(背側面):3Dプリントインサートの下部(3, 4)に2匹、上部(1, 2)に2匹のマウスを配置します。 (C) 各マウススキャンの最終高解像度MRIファイル。 この図の拡大版はこちらをクリックしてください。

図4:PDAC腫瘍の多様な症状:統合MRIおよび組織学解析。(A) PDAC腫瘍の解剖学的変異を示す代表的なMRI画像(背側面):正常膵臓、液体充填嚢胞病変を伴う多発性腫瘍、固形腫瘍塊。解剖学的臓器は色分けされています:胃(黄色)、脾臓(緑色)、腫瘍(紫)、管閉塞による液体の蓄積(青色)。白いスケールバー=1cm。 (B) H&E染色腫瘍の組織学的切片と、コンピュータ支援による訓練済み分類器オーバーレイに基づく細胞クラスを標示し、MRI所見と一致する腫瘍の組織病理学的特徴を強調。腫瘍が存在する場合、すべてのサンプルで腫瘍(T)領域は黒で囲まれています。細胞クラスは色で示されており、正常膵臓組織(灰色)、腫瘍(赤)、免疫細胞(黄色)です。黒のスケールバー=0.5cm。 この図の拡大版はこちらをクリックしてください。

図5:ゲムシタビン治療中の動物募集および腫瘍成長モニタリングのための多動物MRIアプリケーション。(A) 実験デザインのタイムライン:14+週齢の動物をMRIスキャンで腫瘍200 mm3≥検出後に募集しました。治療群のマウスは、安楽死基準に達するまでジェムシタビン(100 mg/kg、IP、b.i.w.)を投与されました。実験全体を通じて、腫瘍の成長速度学を監視するために全動物のMRIスキャンが実施されました。(B) 未治療群から治療群の動物1匹の腫瘍進行を示す代表的なMRI画像(背側面)。実験0日目から最終日までの腫瘍進行を示す(生存評価項目)。白スケールバー=1cm(C,D)。未治療・治療群の対照群における腫瘍成長動態(C, n = 4 [2 F, 2 M])および総生存率(D, n = 11 [4 F, 7 M] vs. 12 [6 F, 6 M])を示すグラフ。カプラン・マイヤー生存曲線の統計的有意性は、Log-rank(Mantel-Cox)検定(* p < 0.05)によって決定されました。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
補足ファイル1:標準的な単一ラットPET/MRIベッドホルダーに収まる、麻酔ポート内蔵の下部インサートの3Dプリント用STLファイル。このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。
補足ファイル2:標準的な単一ラットPET/MRIベッドホルダーに収まる、上部挿入部分の3Dプリント用STLファイル。このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。
このプロトコルは、ベンダー提供の標準的な単一ラットPET/MRIベッドを利用し、カスタムメイドの3Dプリントインサートを改造し、最大4匹のマウスを同時にスキャンすることを可能にします (図1)。この多動物構成により、高価なMRIスキャン時間だけでなく、全体の手術時間も大幅に短縮されます。これにより、4匹の動物を1回のセッションで並行して準備(麻酔、ベッドでの位置調整、ベッドへの搬入)、スキャン、回収が可能で、4回のセッションに分けて準備、スキャン、回収にかかる時間がかかります。また、各動物に制御された麻酔投与のための個別の鼻錐、1匹の専用バイタルモニタリング、そしてすべてのスキャンマウスの体温維持を統合した加熱機能も含まれます (図2)。3Dプリントインサートは動物の一貫したアライメントを提供し、セグメントの一貫性を向上させます。リアルタイム呼吸モニタリングにより、スキャン中の麻酔の継続的な評価と調整が可能となり、動作アーティファクトを最小限に抑えます。
このプロトコルは、化学療法薬ジェムシタビンを投与したKPCモデル(図5A-C)における膵腫瘍の進行を検出し、縦断的にモニタリングするために用いられ、概念実証の前臨床試験として機能しました。ジェムシタビンは単独または併用で、局所または転移性膵臓がん患者に対する第一選択または第二選択の治療薬です 28,29,30。ジェムシタビン処理動物でのこれらの結果は、生存効果を示した以前の報告と一致しています。31。さらに重要なのは、このプロトコルがKPCモデルや類似のPDACモデルにおける新治療薬とSOC化学療法の併用療法を研究するための適切かつ堅牢なプラットフォームを提供することです。これらの併用治療法は、小分子阻害剤、免疫療法、siRNA、マイクロRNA活性調節因子、その他の治療用オリゴヌクレオチドで、主要な分子標的20,21,23,24,25,26,27に対して行われます.これらの併用療法には、遺伝子組み換え標的が含まれ、SOC化学療法や他の治療法との相互作用を早期段階で理解することがあります(9,20,32)。
このプロトコルの焦点は膵臓や他の腹腔臓器の画像診断ですが、この多動物プロトコルと記載されたMRIシーケンスは、乳がんや膠芽腫、腎臓および肝臓に関わる他の疾患のマウスモデルの解剖学的特徴づけにも応用可能です。多動物MRIスキャンを記述する他のプロトコルも認識しています18,34。例えば、Dazaiらは最大7匹のマウスの神経解剖学的MRIスキャンを記述しました。この仕組みは7匹の動物の脳画像撮影を可能にしますが、各マウスの麻酔や温度の個別制御は可能ではありません。彼らのハウジングチャンバーは、約32g未満のマウス用に設計されています。対照的に、マルチチャンバーベッドはより幅広いマウスサイズに対応しています。目的のある器官、スキャン時間、解像度によっては、Dazaiらのプロトコルはここで述べたプロトコルよりもいくつかの利点がある場合があります。
著者には開示すべき利益相反はありません。
この研究は、国立がん研究所のR01 CA258314助成金およびMSUの学際研究のためのテトラッド・イニシアティブ助成金2024年版のLFSへの部分支援を受けています。MSU精密ヘルスプログラム組織解析コア、MSU定量健康科学・工学/精密ヘルスプログラム先進分子イメージング施設、MSUキャンパス動物資源、MSU獣医診断研究所、MSU定量バイオエレメント分析・マッピング(QBEAM)センターの技術支援に感謝いたします。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 3Dプリンター | ストラタシス | J750 | 多動物MRIベッドインサート用 |
| ジェムシタビンHCl | ApexBio | A1402-500 | ip injections |
| ホロス | ホロス | https://horosproject.org/ | MRI解析のために |
| イソフルラン | コヴェトルス | 11695067772 | マウス麻酔用 |
| イソフルラン・ヴェポライザー | SOMNIサイエンティフィック | VS6002 | マウス麻酔用 |
| ロードーズU-100インスリン注射器 | BD | 14-826-79 | ip injections |
| ルアーロックチューブカップリング、ナイロンストレートプラグ、1/16インチチューブ内径x7用のバーブド | マクマスター | 51525K521 | 多動物MRIベッド組立用 |
| ルアーロックチューブカップリング、プラグ、1/16インチバードチューブ内径×2 | マクマスター | 7466N11 | 多動物MRIベッド組立用 |
| オス対オスルアーコネクター X2 | サイ | MML | 多動物MRIベッド組立用 |
| MR互換小動物モニタリングおよびゲートシステム | SAII | モデル1030 | MRI中の動物モニタリング |
| MRIベッドアダプター | ブルーカー | T150743 | ベンダー提供のMRIベッドコンポーネント |
| MRIコイル、内径72mmです | ブルーカー | T20209V3 | ベンダー提供のMRIコイル |
| マルチモーダリティクレードルミディアムラット | ブルーカー | T151629 | ベンダー提供のMRIベッド |
| 眼科潤滑剤 | コヴェトルス | 75848 | 麻酔時の使用 |
| ParaVision 360ソフトウェア | ブルーカー | https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/preclinical-imaging/paravision-360.html | MRI解析のために |
| PMOD 4.2 | ブルーカー | https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/preclinical-imaging/pmod.html | MRI解析のために |
| 前臨床MRIシステム | ブルーカー | バイオスペック 70/30 | MRIのために |
| ストラタシス Vero クリア樹脂 | ストラタシス | RGD810 | 多動物用MRIベッド製作用 |
| ティーソケットからソケットへのコネクター、ルアーロックチューブ×2 | マクマスター | 51525K443 | 多動物MRIのベッド |
| チューブ(内径1/16インチ、外径1/8インチ) | ブルーカー | T12330 | 多動物MRIベッド組立用 |