Summary
Nabij-infrarood foto-immuuntherapie (NIR-PIT) is een opkomende kankertherapeutische strategie die gebruik maakt van een antilichaam-fotoabsorber (IR700Dye) conjugaat en NIR-licht om kankercellen te vernietigen. Hier presenteren we een methode om het antitumoreffect van NIR-PIT te evalueren in een muismodel van pleurale gedissemineerde longkanker en maligne pleuraal mesothelioom met behulp van bioluminescentie beeldvorming.
Abstract
De werkzaamheid van foto-immuuntherapie kan nauwkeuriger worden geëvalueerd met een orthotopisch muismodel dan met een subcutaan model. Een pleuraal verspreidingsmodel kan worden gebruikt voor de evaluatie van behandelingsmethoden voor intrathoracale ziekten zoals longkanker of maligne mesothelioom van de pleura.
Nabij-infrarood foto-immuuntherapie (NIR-PIT) is een recent ontwikkelde kankerbehandelingsstrategie die de specificiteit van tumorgerichte antilichamen combineert met toxiciteit veroorzaakt door een fotoabsorber (IR700Dye) na blootstelling aan NIR-licht. De werkzaamheid van NIR-PIT is gemeld met behulp van verschillende antilichamen; slechts enkele rapporten hebben echter het therapeutische effect van deze strategie in een orthotopisch model aangetoond. In de huidige studie tonen we een voorbeeld van werkzaamheidsevaluatie van het pleura gedissemineerde longkankermodel, dat werd behandeld met NIR-PIT.
Introduction
Kanker blijft een van de belangrijkste doodsoorzaken, ondanks tientallen jaren van onderzoek. Een reden is dat bestralingstherapie en chemotherapie zeer invasieve technieken zijn, die hun therapeutische voordelen kunnen beperken. Cellulaire of moleculair gerichte therapieën, die minder invasieve technieken zijn, krijgen meer aandacht. Fotoimmunotherapie is een behandelmethode die synergetisch het therapeutische effect versterkt door immunotherapie en fototherapie te combineren. Immunotherapie verbetert de tumorimmuniteit door de immunogeniciteit van de tumormicro-omgeving te verhogen en immunoregulerende onderdrukking te verminderen, wat resulteert in de vernietiging van tumoren in het lichaam. Fototherapie vernietigt primaire tumoren met een combinatie van foto-ensitizers en lichtstralen, en tumorspecifieke antigenen die vrijkomen uit de tumorcellen verbeteren de tumorimmuniteit. Tumoren kunnen selectief worden behandeld met behulp van foto-ensitizers omdat ze specifiek en selectief zijn voor de doelcellen. De modaliteit van fototherapie omvat fotodynamische therapie (PDT), fotothermische therapie (PTT) en op fotochemie gebaseerde therapieën1.
Nabij-infrarood foto-immuuntherapie (NIR-PIT) is een recent ontwikkelde methode van antitumor fototherapie die fotochemische therapie en immunotherapie combineert1,2. NIR-PIT is een moleculair gerichte therapie die zich richt op specifieke celoppervlakmoleculen door de conjugatie van een nabij-infrarood siliciumftalocyaninekleurstof, IRdye 700DX (IR700), tot een monoklonaal antilichaam (mAb). Het celmembraan van de doelcel wordt vernietigd bij bestraling met NIR-licht (690 nm)3.
Het concept van het gebruik van gerichte lichttherapie door conventionele fotozensitizers en antilichamen of gerichte PDT te combineren, is meer dan drie decennia oud4,5. Eerdere studies hebben geprobeerd conventionele PDT-middelen aan te vallen door ze te conjugeren tot antilichamen. Er was echter beperkt succes omdat deze conjugaten gevangen zaten in de lever, vanwege de hydrofobiciteit van de foto-ensitizers6,7. Bovendien is het mechanisme van NIR-PIT compleet anders dan dat van conventionele PDT. Conventionele foto-ensitizers genereren oxidatieve stress die het gevolg is van een energieomzetting die lichtenergie absorbeert, ontwricht naar een aangeslagen toestand, overgaat naar de grondtoestand en apoptose veroorzaakt. NIR-PIT veroorzaakt echter snelle necrose door het celmembraan direct te vernietigen door foto-ensitizers op het membraan te aggregeren via een fotochemische reactie8. NIR-PIT is in veel opzichten superieur aan conventionele gerichte PDT. Conventionele foto-ensitizers hebben lage extinctiecoëfficiënten, waardoor grote aantallen foto-ensitizers aan een enkel antilichaammolecuul moeten worden gehecht, waardoor de bindingsaffiniteit mogelijk wordt verminderd. De meeste conventionele foto-ensitizers zijn hydrofoob, waardoor het moeilijk is om de foto-ensitizers aan antilichamen te binden zonder hun immunoreactiviteit of in vivo doelaccumulatie in gevaar te brengen. Conventionele foto-ensitizers absorberen meestal licht in het zichtbare bereik, waardoor de penetratie van weefsel wordt verminderd.
Verschillende studies naar NIR-PIT gericht op intrathoracale tumoren zoals longkanker en kwaadaardige mesothelioom (MPM) cellen van de pleura zijn gemeld9,10,11,12,13,14,15,16,17. Slechts enkele rapporten hebben echter de werkzaamheid van NIR-PIT beschreven in pleura gedissemineerde MPM- of longkankermodellen9,10,11,12. Subcutane tumor xenograft modellen worden beschouwd als standaard tumormodellen en worden momenteel veel gebruikt om de antitumor effecten van nieuwe therapieën te evalueren18. De micro-omgeving van de subcutane tumor is echter niet tolerant voor de ontwikkeling van een geschikte weefselstructuur of een aandoening die een echt kwaadaardig fenotype19,20,21, 22goed samenvat. Idealiter zouden orthotopische ziektemodellen moeten worden opgesteld voor een nauwkeurigere evaluatie van de antitumoreffecten.
Hier demonstreren we een methode van werkzaamheidsevaluatie in een muismodel van pleurale gedissemineerde longkanker, die werd behandeld met NIR-PIT. Een pleuraal verspreidingsmuismodel wordt gegenereerd door tumorcellen in de thoracale holte te injecteren en bevestigd met behulp van luciferase-luminescentie. De muis werd behandeld met een intraveneuze injectie van mAb geconjugeerd met IR700 en NIR-bestraling naar de borstkas. Het therapeutische effect werd geëvalueerd met behulp van luciferase-luminescentie.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Alle in vivo experimenten werden uitgevoerd in overeenstemming met de Guide for the Care and Use of Laboratory Animal resources van nagoya University Animal Care and Use Committee (goedkeuring #2017-29438, #2018-30096, #2019-31234, #2020-20104). Zes weken oude homozygote athymische naaktmuizen werden gekocht en onderhouden in het Animal Center van de Universiteit van Nagoya. Bij het uitvoeren van de procedure bij muizen werden ze verdoofd met isofluraan (inleiding: 4-5%, onderhoud 2-3%); de poot werd ingedrukt met een pincet om de diepte van de anesthesie te bevestigen.
1. Conjugatie van IR700 met mAb
- Incubeer mAb (1 mg, 6,8 nmol) met IR700 NHS-ester (66,8 mg, 34,2 nmol, 5 mmol/L in DMSO) in 0,1 mol/L Na2HPO4 (pH 8,6) bij 15-25 °C gedurende 1 uur.
- Zuiver het mengsel met behulp van een kolom (bijv. Sephadex). Bereid de kolom voor en was deze met PBS. Breng vervolgens het mengsel aan op de kolom en verzamel de druppel, die het gezuiverde IR700-geconjugeerde antilichaam bevat. Dit IR700-geconjugeerde antilichaam wordt het antilichaam photosensitizer conjugaat (APC) genoemd.
- Meet de eiwit- en IR700-concentratie in de APC.
- Bereid kalibratiecurven voor eiwit en IR700 voor met behulp van een spectrofotometer.
- Meng standaardconcentraties van albumine met een eiwittestkit volgens het kitprotocol (zie Tabel met materialen,Coomassie Brilliant Blue (CBB) eiwitkleuring). Meet de absorptie van albumine bij een golflengte van 595 nm en zet de kalibratiecurve (een lineaire benaderingsformule) voor het eiwit uit met behulp van de volgende vergelijking: y = ax + b (x: concentratie, y: absorptie).
- Verkrijg kalibratiecurven voor IR700 met absorptie bij 690 nm met dezelfde procedure. De standaardconcentratie van IR700 wordt aanbevolen bij 0,1-5 μM (0,1954-9,77 μg/ml).
- Meet de eiwitconcentratie en IR700-concentratie in de APC met behulp van een kalibratiecurve [x = (y-b)/a (x: concentratie, y: absorptie)].
- Bepaal het aantal IR700-kleurstoffen gebonden per mAb met de resultaten van de molaire concentratie.
OPMERKING: Het is belangrijk om het optimale conjugatieaantal IR700-moleculen per mAb-molecuul te bepalen. Over het algemeen zouden ongeveer drie IR700-moleculen gebonden aan een enkel mAb-molecuul zowel in vitro als in vivoeffectief zijn. Veel IR700-gebonden per antilichaam (bijvoorbeeld zes) maakt het gemakkelijker om tijdens in vivo experimenten in de lever te worden gevangen. De verhouding van antilichaam gebonden aan IR700 lag in het bereik van 1:2-1:4. Het aandeel IR700 werd indien nodig verlaagd.
- Voer natriumdodecylsulfaat-polyacrylamidegelelektroforese (SDS-PAGE) uit als bevestiging voor de vorming van een APC. Stel de gel voor bij 700 nm met behulp van een fluorescerende imager en kleur het eiwit in de gel met behulp van een eiwitkleuringskit volgens het kitprotocol (zie Tabel met materialen, CBB-eiwitkleuring).
2. Genereren van een pleuraal verspreidingsmodel
- Bereid luciferase-tot expressie brengende doelcellen en suspensie 1,0 ×10 6 doelcellen in 100 μL fosfaat-gebufferde zoutoplossing (PBS)
OPMERKING: Intrathoracale kankercellen zoals longkanker en MPM zijn geschikt als doelcellen. Luciferase-tot expressie brengende cellen werden bereid via luciferase-gentransfectie en een hoge expressie van luciferase werd bevestigd na > 10 celpassages. Cellen werden gekweekt in een medium aangevuld met 10% foetaal runderserum en penicilline (100 IE / ml) en streptomycine (100 mg / ml). Het aantal cellen werd aangepast aan de tumorgroeisnelheid en het tijdsverloop van de behandeling (1,0. × 105-6,0 × 106 cellen/lichaamsgewicht). - Bereid 8-12 weken oude vrouwelijke homozygote athymische naaktmuizen voor, met een bij voorkeur lichaamsgewicht van 19-21 g.
- Verdoving muizen tijdens de procedure met isofluraan (inleiding: 4-5%, onderhoud 2-3%); druk met een pincet op de staart om te bevestigen dat er geen reactie is.
- Maak een stop met polystyreenschuim en bevestig de stop aan de naald van 30 G zodat de punt op 5 mm blijft om longletsel te voorkomen. Buig de naaldpunt met een schone tang of door deze tegen een hard voorwerp te drukken dat met 70% EtOH is gereinigd om pneumothorax te voorkomen(figuur 1).
LET OP: Pas op dat je jezelf niet doorboort. Gebruik een tang om de naald te buigen. Houd de stop niet vast wanneer u deze aan de naald bevestigt. Het is veiliger om de stop te steken voordat u de cellen in de spuit vult. - Vul een spuit (1 ml) met doelcellen en bevestig een naald van 30 G met een stop.
- Desinfecteer de borst van het dier met 70% EtOH vóór de procedure.
- Prik een naald in de borst van de muis door de intercostale ruimte. Door de weerstand tijdens het slaan tegen de ribben op dat moment bewoog de naaldpunt op en neer. Nadat u door de intercostale ruimte bent gewisseld, drukt u de spuit tegen de muis en injecteert u 100 μL doelcellen(figuur 2).
OPMERKING: De muis ademt diep wanneer de naald goed in de borstholte komt. Met het buigen van de naaldpunt konden pneumothorax en ongepaste injectie van cellen in de long worden vermeden.
OPMERKING: Rechter borstwandpunctie wordt aanbevolen om het risico op hartwandpunctie te voorkomen. - Rol de muis 2-3 keer om de cellen door de thoracale holte te verspreiden.
- Breng de muis terug naar een schone en warme kooi en controleer tot de ambulante. Na de procedure wordt de muis wakker uit anesthesie en gedraagt zich normaal.
3. Meting van bioluminescentie
OPMERKING: De software die wordt gebruikt voor gegevensverzameling wordt vermeld in de tabel met materialen.
- Om de generatie van het pleurale verspreidingsmodel te bevestigen, evalueert u de bioluminescentiebeelden elke dag na het injecteren van de cellen in de thoracale holte.
- Verdoof muizen (stap 2.3) en injecteer intraperitoneaal met D-luciferine (15 mg/ml, 200 μL).
- Zorg ervoor dat de muis normaal ademt voor en na het afbeelden. Gebruik indien nodig een kachel om onderkoeling tijdens de anesthesie te voorkomen.
- Zet de muis tien minuten na de injectie in de bioluminescentiebeeldvorming (BLI) meetapparatuur. Voor beeldacquisitie opent u het Acquisitie Configuratiescherm van de software. Selecteer Luminescent, Fotoen Overlay (Figuur 3).
- Stel de belichtingstijd in als Automatisch. Stel Binning in als klein.
- Stel f/stop in als 1 voor lichtgevend en 8 voor foto; f/stop regelt de hoeveelheid licht die door de detector van het geladen gekoppelde apparaat wordt ontvangen.
- Stel het gezichtsveld in op C.
- Zodra het muismonster klaar is voor beeldvorming, klikt u op Aanschaffen voor beeldverwerking. Muizen met voldoende luciferase-activiteit werden geselecteerd voor verdere studies.
OPMERKING: Een geschikt pleuraal verspreidingsmodel toont een sterke luminescentie op de diffuse plaats in de borst wanneer het vanaf de ventrale kant wordt bekeken. Als de BLI-beelden niet in de thorax worden verspreid en alleen op de injectieplaats, kan de tumor subcutaan worden getransplanteerd. - Nadat u de afbeelding hebt weergegeven, stelt u de weergave-indeling in op Uitstraling. Open het deelvenster Gereedschapspalet (Afbeelding 4A).
- Selecteer ROI Tools. We raden aan de cirkel te gebruiken om het bioluminescente gebied op afbeeldingen te bereiken.
- Klik op Rois meten om de bioluminescente intensiteit van het oppervlak te meten(figuur 4B).
- Gebruik Meting configureren in de linkerhoek van het ROI-meetpaneel om de benodigde waarden/informatie te selecteren. Exporteer deze gegevenstabel als een .csv bestand (Figuur 4C).
- Gebruik de waarden van totale flux (p/s) als de bioluminescente intensiteitskwantificering in het .csv bestand.
4. Diffuse luminescentie beeldvorming tomografie (DLIT)
OPMERKING: De software die wordt gebruikt voor gegevensverzameling wordt vermeld in de tabel met materialen.
- Schakel de knop X-ray Armed in.
- Anesthetiseer de muizen (stap 2.3) en injecteer vervolgens D-luciferine (15 mg / ml, 200 μL) intraperitoneaal in de muizen. Als u DLIT continu van 3,2 tot 3,7 wilt opnemen, slaat u deze stap over.
- Plaats de muis tien minuten na injectie in de BLI-apparatuur.
- Open het Acquisitie Configuratiescherm van de software. Selecteer Luminescent, Photograph, CT, Standard-One Mouseen Overlay. Andere instellingen waren hetzelfde als in 3.4-3.6 (Figuur 5A).
- Selecteer de wizard Imaging in het Configuratiescherm acquisitie.
- Selecteer Bioluminescentie en vervolgens DLIT (figuur 5B).
- Selecteer Firefly als de te meten golflengte(Figuur 5C).
- Stel het beeldonderwerp in als muis, belichtingsparametersals automatische instellingen, gezichtsveld als C-13,4 cmen onderwerphoogte als 1,5 cm (figuur 5D).
- Push de röntgenfoto's zullen worden geproduceerd wanneer ze worden bekrachtigd. Verwerven.
- Open de CT-sequentiële beeldgegevens.
- Open Surface Topography in het gereedschapspalet. Selecteer Weergeven (Figuur 6A).
- Pas de drempel aan omdat het paarse display alleen het lichaamsoppervlak weergeeft(figuur 6B). Selecteer vervolgens de onderwerpmuis Naakt en klik op de knop Surface genereren. Zorg ervoor dat de omtrek van de muis nauwkeurig is getekend(figuur 6C).
- Open het tabblad Gereedschapspalet, DLIT 3D-reconstructie-eigenschappen. Selecteer Weefseleigenschappen als muisweefsel en bronspectrum als Firefly (Figuur 6D). Open vervolgens het tabblad Analyseren en bevestig de gegevens voor elke geselecteerde golflengtegegevens. Klik ten slotte op de knop Reconstrueren (Figuur 6E).
- Bevestig de aanwezigheid van BLI in de borstholte in de geconfigureerde DLIT-afbeelding.
5. NIR-PIT voor in vivo pleuraal verspreidingsmodel
- Meet de lichtdosis van 690 nm golflengte (NIR) laser met een vermogensmeter en stel de output in op 100 mW/cm2.
OPMERKING: Het laserlicht is coherent met een precieze spoelgrootte; de lichtenergie verandert dus nauwelijks, ongeacht de afstand binnen 50 cm. Als er veel bijwerkingen zijn, zoals brandwonden, verminder dan de output binnen het bereik van 40 mW / cm2. - Reinig de staart met 70% EtOH en injecteer APC (100 μg) intraveneus via de staartader 24 uur vóór NIR-bestraling. Oefen druk uit op de injectieplaats om het bloeden onder controle te houden.
OPMERKING: Pas het volume van APC aan op 50-200 μL voor injectie. - Verdoof de muizen (stap 2.3) en leg ze op hun rug. Om NIR-bestraling naar de niet-doellocatie te voorkomen, schermt u andere locaties af met aluminiumfolie(figuur 7A). Bestralen met NIR licht met een laser van 100 J/cm2; als de tumor terug naar de buik wordt verspreid, kan de NIR-lichte bestralingsdosis in meerdere richtingen worden verdeeld(figuur 7B).
OPMERKING: Pas de dosis aan op 30-150 J/cm2, afhankelijk van de in vitro resultaten en bijwerkingen zoals brandwonden. - Wanneer de NIR-bestraling is voltooid en de muis wakker is, brengt u deze terug naar de kooi.
- Observeer de BLI en meet de ROI in de loop van de tijd (elke dag) (zie 3.2-3.12).
- Voor ex vivo beeldvorming, euthanaseer muizen met koolstofdioxide 24 uur na de APC-injectie, onmiddellijk vóór de NIR-bestraling.
- Om de binnenkant van de borst van de muis te observeren, verwijdert u de thorax en snijdt u de ribben en het borstbeen door. Leg het fluorescentiebeeld (700 nm) vast naast de controle zonder APC-toediening. Breng vervolgens D-luciferine (150 μg / ml) aan op de blootgestelde thorax en de BLI werd ingenomen (zie 3.2-3.7).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Anti-podoplanine antilichaam NZ-1 werd geconjugeerd met IR700 om NZ-1-IR700 te genereren. We bevestigden de binding van NZ-1 en IR700 op een SDS-PAGE(Figuur 8). Luciferase-tot expressie brengende H2373 (H2373-luc) werd bereid door maligne mesothelioomcellen (H2373) te transfecteren met een luciferasegen10.
We verdoofden 8-12 weken oude vrouwelijke homozygote athymische naaktmuizen en injecteerden 1 × 105 H2373-luc cellen in de thoracale holte. De dag van injectie van tumorcellen in de muizen was geïndiceerd als dag 1.
Op dag 4 werden BLI en DLIT uitgevoerd nadat D-luciferine (15 mg/ml, 200 μL) intraperitoneaal was geïnjecteerd en muizen met voldoende luciferase-activiteit in de borstholte werden geselecteerd voor verdere studies(figuur 9). Honderd microgram NZ-1-IR700 (100 μL) werd intraveneus geïnjecteerd via de staartader. De controlegroep werd geïnjecteerd met PBS (100 μL).
Op dag 5 werden twee muizen opgeofferd met behulp van kooldioxide-verstikking voor ex vivo. De NZ-1-IR700 geïnjecteerde muis vertoonde zowel hoge IR700-fluorescentie- als luciferase-activiteiten in thoracale tumoren, wat aangeeft dat intraveneus geïnjecteerde NZ-1-IR700 de gedissemineerde pleurale tumorplaatsen bereikte(figuur 10).
Voor de evaluatie van het effect van NIR-PIT in het pleura gedissemineerde muismodel werd het NIR-licht toegepast bij 15 J/cm2 vanuit twee richtingen (totaal 30 J/cm2) bij 40 mW/cm2 transcutaan op dag 5 (het NIR-licht werd extern bestraald), gevolgd door seriële BLI. De controlegroep werd niet bestraald met NIR-licht.
Na behandeling van muizen met NIR-PIT vertoonde de behandelde groep een verminderde luciferase-activiteit. De relatieve lichteenheid in de controlegroep vertoonde echter een geleidelijke toename (*p < 0,05 versus controle, t-test) (figuur 11).
Figuur 1: Eenvoudig handgemaakt apparaat voor celtransplantatie. Bevestig de stop gemaakt met polystyreenschuim aan de 30G-naald, zodat de punt op 5 mm blijft. De punt van de naald moet worden gebogen om pneumothorax te voorkomen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Injectie van doelcellen in de thoracale holte. Draai de muis zijwaarts en prik de naald in de muis richting de long. Omdat de stop en de punt van de naald zijn gebogen, komt de naald in de thoracale holte zonder aan de longen te blijven plakken. Injecteer doelcellen terwijl u de naald tegen de muis drukt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Acquisitie Control Panel. Selecteer Luminescent, Fotoen Overlay. Stel belichtingstijd in als Auto,Binning als Klein,f/stop als 1 voor lichtgevend en 8 voor foto en Gezichtsveld als C. Zodra het muismonster klaar is voor beeldvorming, klikt u op Aanschaffen voor beeldverwerking. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Meting (BLI). (A) Deelvenster Gereedschapspalet. Selecteer ROI-tools. We raden de cirkel aan om het bioluminescente gebied op afbeeldingen te bereiken. (B) Kwantificering van de BLI. Nadat u de ROI in elke afbeelding hebt geselecteerd, klikt u op METEN ROIs om te analyseren. (C) Kwantificeringsinformatie. Gebruik Meting configureren in de linkerhoek van het deelvenster ROI-metingen om de benodigde waarden/informatie te selecteren. Exporteer deze gegevenstabel als .csv bestand. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Overname van DLIT. (A) Acquisitie Control Panel voor DLIT. Selecteer Luminescent, Photograph, CT, Standard-One Mouseen Overlay. Andere instellingen zijn hetzelfde als 3.4-3.6 (Figuur 3). (B) Imaging Wizard paneel. Selecteer Bioluminescentieen DLIT. (C) Selecteer de meetgolflengte. Selecteer de golflengte als vuurvlieg. (D)Stel het beeldvormende onderwerp in als muis,belichtingsparameters als automatische instellingen,gezichtsveld als C-13,4 cmen onderwerphoogte als 1,5 cm. Klik vervolgens op de röntgenfoto's die worden geproduceerd wanneer ze worden bekrachtigd. Verwerven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Reconstructie van het deelvenster DLIT. (A) Gereedschapspalet. Open Surface Topography in het gereedschapspalet. Selecteer Weergeven. (B) Aanpassen van muisoppervlakherkenning. Pas de drempel aan omdat het paarse display alleen het lichaamsoppervlak weergeeft. Selecteer het onderwerp Naaktmuis enklik vervolgens op Surface genereren. Zorg ervoor dat de omtrek van de muis nauwkeurig is getekend. (C) Gereedschapspalet. Open het tabblad Eigenschappen van DLIT 3D-reconstructie, selecteer Weefseleigenschappen als muisweefsel en Bronspectrum als Firefly. (D) Open het tabblad Analyseren en selecteer de gegevens voor elke golflengtegegevens. (E) Klik op de knop Reconstrueren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: NIR-bestraling. (A) Bescherm zijn buik met aluminiumfolie om NIR-bestraling naar de buik te voorkomen. (B)Bestraal NIR-licht met behulp van laser waar BLI sterk is; in sommige gevallen is de NIR-laser in meerdere richtingen verdeeld. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: SDS-PAGE. Succesvolle bevestiging van geconjugeerde NZ-1-IR700 op een SDS-PAGE gel (links, colloïdaal blauwe kleuring; rechts, fluorescentie bij 700 nm kanaal). Verdunde NZ-1 diende als controle. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: DLIT. Bevestiging van de luciferase-tot expressie brengende tumorcellen in de thoracale holte. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 10: Ex vivo beeldvorming. Karakterisering van het pleura gedissemineerde MPM-model 24 uur na NZ-1-IR700-injectie met BLI. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 11: Antitumoreffect van NIR-PIT op pleuraal verspreid model. (A) Het podoplanine-gerichte NIR-PIT-regime wordt in een lijn weergegeven. Podoplanin-gerichte NIR-PIT met NZ-1-IR700 op pleuraal gedissemineerd model met H2373-luc tumoren. BLI van het pleura gedissemineerde model wordt getoond. Hoewelluciferase-activiteiten gemeten met BLI niet toenamen in de NIR-PIT-groep, vertoonde de controlegroep een geleidelijke toename samen met tumorgroei. (n ≥ 3 in beide groepen, t-test). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In deze studie demonstreerden we een methode voor het meten van het therapeutische effect van NIR-PIT op het pleurale verspreidingsmodel van MPM. Zeer selectieve celdoding werd uitgevoerd met NIR-PIT; het normale weefsel werd dus nauwelijks beschadigd23,24,25. Met dit type selectieve celdoding werd aangetoond dat NIR-PIT veilig was in verspreide modellen9,26. In sommige stappen zijn echter alternatieve methoden mogelijk. Verschillende methoden zijn gerapporteerd voor het pleurale verspreidingsmodel27,28,29,30. We hebben het injectiemodel gekozen omdat het een eenvoudige procedure is die het minst belastend is voor muizen. We gebruikten BLI om het therapeutische effect van NIR-PIT te meten, omdat we kwantitatief kunnen evalueren met levende muizen. Positronemissietomografie/computertomografie (PET/CT)27 zou bijvoorbeeld een alternatieve manier kunnen zijn om het tumorvolume van het pleurale verspreidingsmodel te evalueren. NIR-PIT met BLI in andere orthotopische modellen is gemeld; NIR-PIT kan worden gebruikt voor het abdominale verspreidingsmodel, longmultiple gemetastaseerd tumormodel en hersentumor12,26,31,32,33,34,35,36. Zelfs kleine gemetastaseerde tumorhaarden kunnen worden waargenomen met BLI en NIR-PIT kan worden uitgevoerd11,12.
We hebben enkele delen van het protocol beschreven op basis van voorbereidende experimenten. Ten eerste de tijd van APC-toediening tot NIR-bestraling. De farmacokinetiek werd vooraf geëvalueerd met behulp van een subcutaan tumormodel. APC piekt in de tumor 24 uur na interventie via de staartader met behulp van mAb; NIR bestraling kan 24 uur na de APC toediening9,10,11,12worden uitgevoerd. Ten tweede verschilt de NIR-lichtdosis die nodig is voor het doden van tumorcellen in NIR-PIT afhankelijk van het antilichaam en de doelcellijnen, die wordt voorspeld met behulp van de in vitro resultaten.
Deze studie heeft een paar beperkingen. Ten eerste waren tumoren wijd verspreid in de thoracale holte en kon NIR-bestraalde energie niet precies worden gemeten. De golflengte van het NIR-excitatielicht (piek bij 690 nm) maakt penetratie van ten minste 2-3 inch in het weefselmogelijk 37. Daarom bereikt NIR-licht in het geval van muizen de thoracale holte zelfs extern. Momenteel worden NIR-laserapparaten gebruikt voor het pleurale verspreidingsmodel van de muis9,10,11,12. Bij daadwerkelijk klinisch gebruik zijn we echter van plan om nauwkeurige glasvezel te gebruiken om de gehele intrathoracale holte via de thoracale drainagebuis te bestralen34. Ten tweede is de NIR-bestralingsdosis beperkt, afhankelijk van de specificiteit van de mAb tot antigenen die tot expressie komen op tumorcellen. Niet-specifieke binding van APC kan onverwachte orgaanschade veroorzaken.
Tot slot presenteerden we een methode om het therapeutische effect van NIR-PIT met BLI te evalueren in het pleurale verspreidingsmodel van MPM.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.
Acknowledgments
Geen
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 0.25w/v% Trypsin-1mmol/l EDTA 4Na Solution with Phenol Red | Wako | 209-016941 | for cell culture |
| 1mL syringe | TERUMO | SS-01T | for mice experiment |
| 30G needle | Nipro | 1907613 | for mice experiment |
| BALB/cSlc-nu/nu | Japan SLC | ||
| Collidal Blue Staining Kit | Invitrogen | LC6025 | use for gel protein staining |
| Coomassie (bradford) Plus protein assay | Thermo Fisher Scientific Inc (Waltham, MA, USA) | PI-23200 | for measuring the APC concentration |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Wako | 043-07216 | use for conjugation of IR700 |
| D-Luciferin (potassium salt) | Cayman Chemical | 14681 | for bioluminescence imaging and DLIT |
| GraphPad Prism7 | GraphPad software | for statistical analysis | |
| Image Studio | Li-Cor Biosciences | for analyzing 700 nm fluorescent image | |
| IRDye 700DX Ester Infrared Dye | LI-COR Bioscience (Lincoln, NE, USA) | 929-70011 | |
| isoflurane | Wako | 095-06573 | for mice anesthesia |
| IVIS Spectrum CT | PerkinElmer | for capturing bioluminescent image and DLIT | |
| Living Image | PerkinElmer | for analyzing bioluminescent image and DLIT | |
| Na2HPO4 | SIGMA-ALDRICH (St. Louis, MO, USA) | S9763 | use for conjugation of IR700 |
| NIR Laser | Changchun New Industries Optoelectronics Technology | MRL-III-690R | for NIR irradiation |
| Novex WedgeWell 4 to 20%, Tris-Glycine, 1.0 mm, Mini Protein Gel, 12 well | Invitrogen | XP04202BOX | use for SDS-PAGE |
| NuPAGE LDS Sample Buffer (x4) | Invitrogen | NP0007 | use for SDS-PAGE |
| Optical power meter | Thorlabs (Newton, NJ, USA) | PM100 | for measuring the output of the NIR laser |
| PBS(-) | Wako | 166-23555 | |
| Pearl Trilogy imaging system | Li-Cor Biosciences | for capturing 700 nm fluorecent image | |
| Penicilin-Streptomycin Solution (x100) | Wako | 168-23191 | for cell culture |
| Puromycin Dihydrochloride | ThermoFisher | A1113803 | for luciferase transfection |
| RediFect Red-Fluc-Puromycin Lentiviral Prticles | PerkinElmer | CLS960002 | for luciferase transfection |
| RPMI-1640 with L-glutamine and Phenol Red | Wako | 189-02025 | for cell culture |
| Sephadex G25 column (PD-10) | GE Healthcare (Piscataway, NJ, USA) | 17-0851-01 | use for conjugation of IR700 |
| UV-1900i | Shimadzu | for measuring the APC concentration |
References
- Xu, X., Lu, H., Lee, R. Near Infrared Light Triggered Photo/Immuno-Therapy Toward Cancers. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 8, (2020).
- Mitsunaga, M., et al. Cancer cell-selective in vivo near infrared photoimmunotherapy targeting specific membrane molecules. Nature Medicine. 17, 1685-1691 (2011).
- Kobayashi, H., Choyke, P. L.
- Oseroff, A. R., Ohuoha, D., Hasan, T., Bommer, J. C., Yarmush, M. L. Antibody-targeted photolysis: Selective photodestruction of human T-cell leukemia cells using monoclonal antibody-chlorin e6 conjugates. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 83, 8744-8748 (1986).
- Mew, D., Wat, C. K., Towers, G. H., Levy, J. G. Photoimmunotherapy: treatment of animal tumors with tumor-specific monoclonal antibody-hematoporphyrin conjugates. Journal of Immunology. 130, 1473-1477 (1983).
- Vrouenraets, M. B., et al. Development of meta-tetrahydroxyphenylchlorin-monoclonal antibody conjugates for photoimmunotherapy. Cancer Research. 59, 1505-1513 (1999).
- Goff, B. A., et al. Photoimmunotherapy and biodistribution with an OC125-chlorin immunoconjugate in an in vivo murine ovarian cancer model. British Journal of Cancer. 70, 474-480 (1994).
- Sato, K., et al. Photoinduced Ligand Release from a Silicon Phthalocyanine Dye Conjugated with Monoclonal Antibodies: A Mechanism of Cancer Cell Cytotoxicity after Near-Infrared Photoimmunotherapy. ACS Central Science. 4, 1559-1569 (2018).
- Sato, K., Nagaya, T., Choyke, P. L., Kobayashi, H. Near infrared photoimmunotherapy in the treatment of pleural disseminated NSCLC: Preclinical experience. Theranostics. 5, 698-709 (2015).
- Nishinaga, Y., et al. Targeted Phototherapy for Malignant Pleural Mesothelioma: Near-Infrared Photoimmunotherapy Targeting Podoplanin. Cells. 9, 1019 (2020).
- Sato, K., et al. Near infrared photoimmunotherapy prevents lung cancer metastases in a murine model. Oncotarget. 6, 19747-19758 (2015).
- Sato, K., Nagaya, T., Mitsunaga, M., Choyke, P. L., Kobayashi, H. Near infrared photoimmunotherapy for lung metastases. Cancer Letters. 365, 112-121 (2015).
- Isobe, Y., et al. Near infrared photoimmunotherapy targeting DLL3 for small cell lung cancer. EBioMedicine. 52, 102632 (2020).
- Nakamura, Y., et al. Near infrared photoimmunotherapy in a transgenic mouse model of spontaneous epidermal growth factor receptor (EGFR)-expressing lung cancer. Molecular Cancer Therapeutics. 16, 408-414 (2017).
- Nagaya, T., et al. Near infrared photoimmunotherapy with avelumab, an anti-programmed death-ligand 1 (PD-L1) antibody. Oncotarget. 8, 8807-8817 (2017).
- Sato, K., et al. Spatially selective depletion of tumor-associated regulatory T cells with near-infrared photoimmunotherapy. Science Translational Medicine. 8, (2016).
- Sato, K., et al. Comparative effectiveness of light emitting diodes (LEDs) and lasers in near infrared photoimmunotherapy. Oncotarget. 7, 14324-14335 (2016).
- Sato, K., Choyke, P. L., Kobayashi, H. Photoimmunotherapy of Gastric Cancer Peritoneal Carcinomatosis in a Mouse Model. PLoS One. 9, 113276 (2014).
- McLemore, T. L., et al. Comparison of intrapulmonary, percutaneous intrathoracic, and subcutaneous models for the propagation of human pulmonary and nonpulmonary cancer cell lines in athymic nude mice. Cancer Research. 48, 2880-2886 (1988).
- Manzotti, C., Audisio, R. A., Pratesi, G. Importance of orthotopic implantation for human tumors as model systems: relevance to metastasis and invasion. Clinical & Experimental Metastasis. 11, 5-14 (1993).
- Lwin, T. M., Hoffman, R. M., Bouvet, M. Advantages of patient-derived orthotopic mouse models and genetic reporters for developing fluorescence-guided surgery. Journal of Surgical Oncology. 118, 253-264 (2018).
- Sordat, B. C. M. From Ectopic to Orthotopic Tumor Grafting Sites: Evidence for a Critical Role of the Host Tissue Microenvironment for the Actual Expression of the Malignant Phenotype. , Humana Press. Cham. 43-53 (2017).
- Sato, K., et al. Photoimmunotherapy: comparative effectiveness of two monoclonal antibodies targeting the epidermal growth factor receptor. Molecular Oncology. 8, 620-632 (2014).
- Nakajima, T., et al. The effects of conjugate and light dose on photo-immunotherapy induced cytotoxicity. BMC Cancer. 14, 389 (2014).
- Nagaya, T., et al. Near infrared photoimmunotherapy of B-cell lymphoma. Molecular Oncology. 10, 1404-1414 (2016).
- Sato, K., et al. Near infrared photoimmunotherapy in the treatment of disseminated peritoneal ovarian cancer. Molecular Cancer Therapeutics. 14, 141-150 (2015).
- Colin, D. J., Bejuy, O., Germain, S., Triponez, F., Serre-Beinier, V. Implantation and monitoring by pet/ct of an orthotopic model of human pleural mesothelioma in athymic mice. Journal of Visualized Experiments. 2019, (2019).
- Opitz, I., et al. Local recurrence model of malignant pleural mesothelioma for investigation of intrapleural treatment. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery. 31, 772-778 (2007).
- Bunn, P. A., Kelly, K. New chemotherapeutic agents prolong survival and improve quality of life in non-small cell lung cancer: a review of the literature and future directions. Clinical Cancer Research. 4, 1087-1100 (1998).
- Astoul, P., Wang, X., Hoffman, R. Patient-like nude-mouse and scid-mouse models of human lung and pleural cancer (review). International Journal of Oncology. 3, 713-718 (1993).
- Yamaguchi, H., Pantarat, N., Suzuki, T., Evdokiou, A. Near-infrared photoimmunotherapy using a small protein mimetic for HER2-overexpressing breast cancer. International Journal of Molecular Sciences. 20, (2019).
- Jing, H., et al. Imaging and selective elimination of glioblastoma stem cells with theranostic Near-Infrared-Labeled CD133-Specific antibodies. Theranostics. 6, 862-874 (2016).
- Burley, T. A., et al. Near-infrared photoimmunotherapy targeting EGFR-Shedding new light on glioblastoma treatment. International Journal of Cancer. 142, 2363-2374 (2018).
- Nagaya, T., et al. Near infrared photoimmunotherapy using a fiber optic diffuser for treating peritoneal gastric cancer dissemination. Gastric Cancer. 22, 463-472 (2019).
- Nagaya, T., et al. Endoscopic near infrared photoimmunotherapy using a fiber optic diffuser for peritoneal dissemination of gastric cancer. Cancer Science. 109, 1902-1908 (2018).
- Harada, T., et al. Near-infrared photoimmunotherapy with galactosyl serum albumin in a model of diffuse peritoneal disseminated ovarian cancer. Oncotarget. 7, 79408-79416 (2016).
- Journals, O. JNCI Journal of the National Cancer Institute Way to Better DNA. Annals of Internal Medicine. 37, 1-9 (2008).
