Induceren van gerichte milde hyperthermie in muizentumormodellen door fotothermische conversie van nabij-infrarood licht door intratumorale gouden nanostaafjes

Gerichte hyperthermische therapie is een opkomende modaliteit in de behandeling van kanker die is ontworpen om selectief de tumortemperaturen te verhogen en tegelijkertijd de schade aan het omliggende gezonde weefsel te minimaliseren. Deze methode beschrijft een zeer efficiënte, weinig resource-intensieve en reproduceerbare manier om door gouden nanostaafjes gemedieerde hyperthermie in solide tumoren te induceren. Door gebruik te maken van directe intratumorale injectie van gouden nanostaafjes, gevolgd door blootstelling aan nabij-infrarood licht, wordt een nauwkeurige, gecontroleerde en zeer plaatselijke verhitting van tumoren mogelijk gemaakt.

Het succes van dit protocol hangt af van efficiënte diepe weefselactivering van gouden nanostaafjes met behulp van de juiste golflengte van nabij-infrarood licht, evenals nauwkeurige real-time monitoring van de interne tumortemperatuur tijdens de procedure. Begin met dagelijkse tumormetingen vanaf ongeveer dag zeven, na injectie van kankercellen of wanneer tumoren voelbaar worden. Voordat u met de procedure begint, meet u de breedte, lengte en hoogte van de tumor om het totale tumorvolume te berekenen.

Probeer de procedure uit te voeren zodra de tumoren een volume van ongeveer 50 millimeter in blokjes hebben bereikt. Voor ons model werd dit tumorvolume bereikt tussen dag 10 en 12 na injectie van kankercellen. Gebruik in een steriele biologische veiligheidskast een spuit van één mil met een naald van 31 gauge om het juiste volume gouden nanostaafjes op te zuigen op basis van elk tumorvolume.

Voorafgaand aan de injectie van gouden nanostaafjes, verdooft u de muis met behulp van een neuskegel die 2% isofluraan afgeeft met een debiet van 0,8 liter per minuut. Breng oogsmeermiddel aan op beide ogen om uitdroging te voorkomen en mogelijke laserschade te minimaliseren. Scheer indien nodig overtollige vacht rond de tumor om ervoor te zorgen dat het huidoppervlak wordt blootgesteld en gebruik ethanol om het tumoroppervlak te desinfecteren en eventuele vacht of vuil weg te vegen.

Injecteer voorafgaand aan laserblootstelling gouden nanostaafjes intratumoraal in een concentratie van één microgram per kubieke millimeter tumorvolume. Verdeel indien nodig de injectie over twee intratumorale plaatsen om een efficiënte verdeling van gouden nanostaafjes in de tumor te garanderen. Zorg ervoor dat u overtollige gouden nanostaafjes op het huidoppervlak na injectie wegveegt.

Dien voor muizen uit de controlegroep een intratumorale injectie van steriele PBS toe met het equivalente volume dat wordt gebruikt voor de behandelingsgroepen met gouden nanostaafjes. Reinig de intratumorale temperatuursonde met ethanol voordat u deze inbrengt. Steek de temperatuursonde voorzichtig in het midden van de tumormassa.

Breng een uniforme laag aloë vera-gel van ongeveer vijf millimeter dik aan op het tumoroppervlak om huidzweren te voorkomen en het risico op thermisch letsel tijdens de behandeling te minimaliseren. Stel de laser zo in dat deze direct boven het midden van de tumor uitlijnt. Gebruik de opzoektabel voor bestralingsuitstraling om de beste laserhoogte te bepalen op basis van de vereiste laserstraaldiameter om het tumoroppervlak te bedekken.

Schakel de laser en thermo-elektrische koelbron in. Sluit vervolgens het lasersysteem aan op de stroombron. Zet de thermo-elektrische koelbron aan.

Het blauwe LED-lampje gaat aan en na 30 seconden stabiliseert de temperatuur zich op 25 graden Celsius. Pas op basis van de opzoektabel voor bestralingssterkte de laserstroomuitgang aan om een beoogde bestralingssterkte van ongeveer één watt per vierkante centimeter te bereiken. In ons experiment resulteerden een laserhoogte van 1,5 centimeter, een straaldiameter van 1,3 centimeter en een laserstroom van 1800 milliampère in een bestralingswaarde van 0,82 watt per vierkante centimeter, die werd geoptimaliseerd voor ons tumormodel.

Zorg er vanaf dit punt voor dat alle personen in de laseroperatiekamer een gecertificeerde laserveiligheidsbril dragen voor de gebruikte golflengte van het licht. Stel een thermocamera in naast het laserplatform dat op de muis is gericht om de temperatuur van het huidoppervlak tijdens de laserprocedure te bewaken. Begin met opnemen op de thermogekoppelde dataloggingsoftware en zorg ervoor dat de interne grafiek van de tumortemperatuur versus tijd in realtime wordt weergegeven.

Draai de laserveiligheidssleutel om bronuitvoer in te schakelen. Begin met lasertoediening door het voetpedaal naar beneden te duwen Op de starttijd van de laser begint de interne tumortemperatuur te stijgen, waarbij het ongeveer 15 seconden tot twee minuten duurt voordat het hyperthermische bereik van 42 tot 48 graden wordt bereikt. Als de inwendige tumortemperatuur de 48 graden nadert, haal dan uw voet van het pedaal en laat de temperatuur weer dalen.

Deze temperatuurdaling zou in realtime zichtbaar moeten worden op de grafiek van de temperatuur versus tijd. Zodra de inwendige tumortemperatuur is gedaald tot ongeveer 43 graden, schakelt u lasertoediening opnieuw in met het voetpedaal. De temperatuur zou weer moeten beginnen te stijgen zonder uit het hyperthermische bereik te vallen.

Ga hiermee door tijdens het uitschakelen van de laser om ervoor te zorgen dat de tumor binnen hyperthermisch bereik blijft. De grafiek van de temperatuur versus tijdweergave zou dit moeten beginnen weer te geven bij het uit-cycluspatroon van de laser. Tijdens het onderhoud van tumorhyperthermie moet u de temperatuur van het huidoppervlak voortdurend controleren om ervoor te zorgen dat deze onder de 50 graden Celsius blijft.

Na vijf minuten hyperthermie te hebben gehandhaafd, laat u het voetpedaal los om de lasertoediening te stoppen en laat u de interne tumortemperatuur weer dalen tot ongeveer 37 graden Celsius. Zodra de tumor is teruggekeerd naar een normale temperatuur, verwijdert u de temperatuurbewakingssonde en veegt u overtollige aloë vera-gel op het tumoroppervlak weg. Verwijder de muis uit de neuskegelverdoving en controleer de opwinding van het dier voordat u terugkeert naar de kooi Voor herstel na de procedure, plaatst u de kooi gedeeltelijk op een warmtekussen zoals hier weergegeven.

Zorg ervoor dat muizen zich weer normaal gedragen voordat u ze terugbrengt naar hun woonfaciliteit. Deze tabel geeft bestralingswaarden in watt per centimeter in het kwadraat voor verschillende instellingen voor de laserstroom in milliampère en werkafstanden in centimeters. Deze tabel wordt gebruikt om de juiste laserhoogte te bepalen op basis van de vereiste straaldiameter om het tumoroppervlak te bedekken en om een beoogde bestralingssterkte van ongeveer één watt per vierkante centimeter te bereiken.

Groen gemarkeerde waarden in deze tabel geven optimale instralingsniveaus aan in de buurt van één watt per vierkante centimeter. Deze figuur toont representatieve interne tumortemperatuurprofielen in de loop van de tijd in milliseconden, geregistreerd door de interne tumortemperatuursonde tijdens blootstelling van de tumor aan nabij-infrarood licht. Figuur A toont het aan-uit-lasercycluspatroon in een met gouden nanostaafjes geïnjecteerde muis die nodig is om de interne tumortemperatuur binnen hyperthermisch bereik te houden.

Het benadrukt het belang van nauwgezette monitoring van de interne tumortemperatuur en cycli van lasertoediening om het hyperthermische bereik tijdens de procedure te behouden. Figuur B toont het gemiddelde verschil in interne tumortemperatuur tussen gouden nanarod geïnjecteerd en controle, of PBS-geïnjecteerde muizen gedurende de vijf minuten durende blootstelling aan nabij-infrarood licht. Zonder de injectie van gouden nanostaafjes zullen tumoren die worden blootgesteld aan nabij-infrarood licht niet opwarmen tot een mild hyperthermisch bereik.

PBS-geïnjecteerde tumoren plateau rond de 39 tot 40 graden Celsius in tegenstelling tot met gouden nanostaafjes geïnjecteerde tumoren die hyperthermische temperaturen van 42 tot 48 graden bereiken. Onze met gouden nanostaaf gemedieerde gerichte hyperthermische therapie induceert de krimp van het tumorvolume over meerdere spiegelende kankermodellen binnen 48 tot 72 uur na de behandeling. Figuur A toont tumorvolumemetingen in 4T1, een borstkankermodel na door gouden nanostaafjes gemedieerde gerichte hyperthermische therapie.

Figuur B toont B16 F10, een melanoommodel, en figuur C toont CT26, een colorectaal kankermodel. Een vermindering of vertraging van de groei van het tumorvolume binnen 48 tot 72 uur na de behandeling is een indicatie van een positief resultaat. Bij het uitvoeren van dit protocol is nauwkeurige real-time monitoring van de interne tumortemperatuur van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat een mild hyperthermisch bereik wordt bereikt en dat de behandeling consistent wordt toegediend.

Na deze procedure moeten dagelijkse metingen van het tumorvolume worden uitgevoerd om veranderingen in het tumorvolume vast te leggen. Tumorregressie binnen twee tot drie dagen is een positieve indicator voor het succes van de behandeling.