1. Hodowla komórkowa
- Hodować komórki raka piersi człowieka MDA-MB-231 (American Type Culture Collection) w medium RPMI-1640 (Invitrogen, Niemcy) uzupełnionym o 10% FCS (Sigma, Niemcy). Wszystkie hodowle utrzymywać w standardowych warunkach (37 °C, atmosfera nawilżona, 5% CO2) i pasażować komórki 2-3 razy w tygodniu, aby utrzymać je w fazie wzrostu logarytmicznego. W przypadku opisanego poniżej modelu zwierzęcego nie ma potrzeby stosowania linii podpochodnych komórek MDA-MB-231 specyficznych dla kości, ponieważ odsetek przyjęcia nowotworu przekracza 90%1.
- Zbić pod-konfluente komórki nowotworowe po zastosowaniu 2 mM EDTA w PBS- (soli fizjologicznej buforowanej fosforanami, bez Ca2+ i Mg2+) oraz 0,25% trypsyny (Sigma, Taufkirchen, Niemcy). Policzyć komórki MDA-MB-231 w komorze Neubauera i zawiesić je w RPMI-1640 (5x105 komórek w 1 ml).
2. Model przerzutów do kości u szczura nago
- Wszystkie eksperymenty zostały zatwierdzone przez właściwą rządową komisję etyki ds. zwierząt.
- Należy wykorzystać szczury nude w wieku 6-8 tygodni i utrzymywać je w warunkach wolnych od patogenów w odpowiednim systemie dla małych zwierząt (np. systemie mini-bariery). Zwierzęta należy trzymać w kontrolowanych warunkach (temperatura pokojowa 21 +/- 2 °C, wilgotność 60% oraz 12-godzinny rytm światło-ciemność) i zapewniać im autoklawowaną karmę oraz wodę ad libitum.
- Przed operacją zwierzęcia należy podać lek przeciwbólowy (np. Carprofen 4 mg/kg s.c.; ze względu na jednorazowe podanie i krótki okres półtrwania (ok. 8 hr), carprofen nie powinien wpływać na wzrost guza). Szczury należy znieczulić mieszaniną tlenu (0.5 l/min) i izofluranu (1-1.5 vol. %) oraz upewnić się, że szczur jest prawidłowo znieczulony i oddycha regularnie przed rozpoczęciem następnej procedury.
- Znieczulone zwierzę należy umieścić pod odpowiednim binokularowym mikroskopem operacyjnym (np. Leica) i pracować przy 16-krotnym powiększeniu.
- Procedurę chirurgiczną należy rozpocząć od nacięcia skóry i tkanki podskórnej w okolicy pachwinowej na długości 2-3 cm za pomocą nożyczek (BC060r Iris scissors 108 mm). Należy wypreparować wszystkie tętnice odgałęziające się od tętnicy udowej (FA), w tym tętnicę nadbrzuszną powierzchowną (SEA), tętnicę kolanową zstępującą (DGA), tętnicę podkolanową (PA) i tętnicę odpiszczelową (SA).
- Na tętnicę udową proksymalnie od ujścia SEA, a także na DGA, PA i SA należy założyć klipsy, aby tymczasowo zamknąć miejscowy przepływ krwi. Tętnicę SEA należy podwiązać w jej części dystalnej, aby umożliwić otwarcie tego naczynia bez krwawienia (Rysunek 1A).
- Tętnicę SEA należy przeciąć nożyczkami (Vannas Micro-SCRS-Grooved STR 85 mm) proksymalnie od podwiązania (Rysunek 1B) i podać 1% roztwór papaweryny na SEA, aby ułatwić późniejsze wprowadzenie igły dzięki rozluźnieniu naczynia (Rysunek 1C).
- Nożyczkami należy przeciąć około połowy średnicy SEA i wprowadzić igłę (średnica 0.3 mm i długość 42 mm) do światła SEA, trzymając przecięty koniec naczynia pęsetą (Rysunek 1D, E). Jeśli jest to możliwe, należy zamocować igłę w urządzeniu zewnętrznym, aby ograniczyć nieregularne ruchy, które mogłyby doprowadzić do perforacji ściany naczynia. Do igły należy podłączyć strzykawkę. Należy zdjąć klips z dystalnej części FA i założyć go na tętnicę odpiszczelową (Rysunek 1F).
- Komórki MDA-MB-231 zawieszone w 0.2 ml pożywki należy powoli wstrzyknąć do SEA. Dzięki klipsom komórki MDA-MB-231 zostaną skierowane do DGA i PA. Przed zdjęciem klipsów tętniczych należy wyjąć igłę i podwiązać SEA, aby zapobiec krwawieniu. Ranę należy zamknąć za pomocą klipsów chirurgicznych i zakończyć znieczulenie wziewne.
- W ramach monitorowania po zabiegu, szczury są zazwyczaj uśmiercane 7-8 tygodni po inokulacji komórek nowotworowych, aby uniknąć poważnych powikłań szkieletowych. W tym czasie zwierzęta powinny być monitorowane codziennie w celu oceny wielkości guza i wszelkich oznak bólu (np. odchyleń behawioralnych, utraty masy ciała, deficytów motorycznych). Jeśli zwierzęta wykażą wielkość guza przekraczającą etycznie dopuszczalną granicę lub oznaki bólu podczas wzrostu guza, muszą zostać uśmiercone.
- Do ksenotransplantacji ludzkich komórek raka piersi MDA-MB-231 wykorzystano szczury immunodeficyjne (nude). Wybrano szczury nude, aby lepiej wizualizować rosnący guz.
3. Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI)
- Po inokulacji komórek nowotworowych należy odczekać około 25-30 dni na wzrost guza przed rozpoczęciem obrazowania. Do obrazowania MR należy użyć dedykowanego skanera eksperymentalnego lub ludzkiego systemu MR z odpowiednią cewką zwierzęcą. Wykorzystano ludzki system MR (Symphony, Siemens, Niemcy) oraz własnoręcznie zbudowaną cewkę do wzbudzenia i detekcji częstotliwości radiowych, zaprojektowaną jako cylindryczny rezonator objętościowy o średnicy wewnętrznej 83 mm i długości użytkowej 120 mm (Rysunek 2A).
- Zanurz szczura w znieczuleniu tlenem i izofluranem zgodnie z powyższym opisem. Wprowadzić kaniulę do żyły ogonowej i przymocować ją do ogona za pomocą taśmy. Podłączyć strzykawkę zawierającą środek kontrastowy (np. 0,1 mmol/kg Gd-DTPA w około 0,5 ml; Magnevist, Bayer-Schering, Niemcy).
- Umieścić szczura w systemie MR, utrzymując znieczulenie wziewne. Rozpocząć od morfologicznej sekwencji MR w celu zlokalizowania przerzutu do kości (np. T2-zależna: sekwencja turbo spin echo, TR 3240 ms, TE 81 ms, macierz 152 x 256, FOV 90 x 53,4 mm2, grubość warstwy 1,5 mm, 3 średnie, czas skanowania 3:40 min).
- Wyznaczyć warstwę przerzutu do kości o największej średnicy i uruchomić sekwencję dla DCE-MRI (np. sekwencja saturation recovery turbo flash, TR 373 ms, TE 1,86 ms, macierz 192 x 144, FOV 130 x 97,5 mm2, grubość warstwy 5 mm, pomiary 512, średnie 1, czas skanowania 6:55 min). Po około 30 s rozpocząć wstrzykiwanie środka kontrastowego w czasie 10 s. Całkowity czas trwania wyżej wymienionych procedur w celu wykonania badania MRI wynosi około 15-20 min na zwierzę.
4. Wolumetryczna tomografia komputerowa (VCT)
- Wybierz odpowiedni system CT, skaner dla ludzi lub eksperymentalny. W tym przypadku użyto prototypu wolumetrycznego tomografu komputerowego z panelem płaskim (Rysunek 2B; Volume CT, Siemens, Niemcy).
- Zapewnij szczurowi znieczulenie tlenem i izofluranem zgodnie z powyższym opisem. Wprowadź kaniulę do żyły ogonowej i przymocuj ją do ogona za pomocą taśmy. Podłącz strzykawka zawierającą środek kontrastowy (np. 1 g jodu na kg w około 0,5 ml; Imeron 400, Bracco, Niemcy).
- Umieść szczura w skanerze pod znieczuleniem inhalacyjnym. Dla VCT zastosuj następujące parametry skanowania: napięcie lampy 80 kV, prąd lampy 50 mA, czas skanowania 51 sec, prędkość rotacji 10 sec, liczba klatek na sekundę 120, macierz 512 x 512 oraz grubość warstwy 0,2 mm. Wstrzyknij środek kontrastowy podczas drugiego obrotu systemu z panelem płaskim. Całkowity czas wykonania badania VCT zgodnie z powyższymi procedurami wynosi około 5-10 min na zwierzę.
- Zrekonstruuj obrazy za pomocą zmodyfikowanego algorytmu rekonstrukcji wiązki stożkowej FDK (Feldkamp-Davis-Kress) (jądro H80a, Afra, Niemcy).
5. Ultradźwięki (US)
- Do tego celu można wykorzystać eksperymentalne i kliniczne systemy US. Użyliśmy klinicznego systemu ultrasonograficznego Acuson Sequoia 512 z przetwornikiem liniowym 15L8 (Rysunek 2C; Siemens-Acuson, Mountain View, CA).
- Zanurz szczura w narkozie przy użyciu tlenu i izofluranu zgodnie z powyższym opisem. Wprowadź cewnik do żyły ogonowej i przymocuj go do ogona taśmą. Podłącz strzykawkę zawierającą mikrobąbelkowy środek kontrastowy (np. 1,6 ml/kg w objętości około 0,5 ml; SonoVue, Bracco, Włochy). Przymocuj przetwornik US do odpowiedniej tylnej kończyny za pomocą statywu i nałóż żel US między przetwornik a kończynę.
- Wykonaj obrazowanie w trybie B (częstotliwość transmisji: 17 MHz; indeks mechaniczny: 0,51), aby określić największą średnicę przerzutu do kości i ustal przetwornik w tej pozycji. Do obrazów w trybie B dodaj sygnał Dopplera w celu uzyskania informacji o ukrwieniu tkanek. Należy pamiętać, że fale US docierają wyłącznie do tych zmian, które naruszają kość korową.
- W przypadku dynamicznego US z kontrastem (DCE-US) ustaw urządzenie US w trybie sekwencjonowania impulsów kontrastowych w rytmie (CPS) (częstotliwość transmisji: 7 MHz; indeks mechaniczny: 0,18), wstrzyknij mikrobąbelki i nagraj pętlę kinową o długości 90 s. Całkowity czas powyższych procedur niezbędnych do wykonania badania US wynosi około 10-15 min na zwierzę.
6. Postprocessing danych obrazowych
- Wykorzystaj informacje morfologiczne z MRI, VCT i US do charakterystyki guza tkanek miękkich (MRI, US) oraz destrukcji szkieletowej (VCT) w przerzutach do kości, a następnie określ lokalizację, wielkość i objętość zmian za pomocą przeglądarki DICOM (np. Osirix Dicom Viewer).
- Dane VCT można wykorzystać do uzyskania obrazu wzorca rozgałęzień naczyń w przerzutach do kości (angiografia). Zrekonstruuj obrazy 2D lub 3D, wykorzystując informacje z fazy tętniczej, z zastosowaniem lub bez zastosowania technik subtrakcji (np. Osirix Dicom Viewer).
- W celu ilościowego określenia parametrów unaczynienia z DCE-MRI, DCE-VCT i DCE-US zastosuj narzędzia programowe specyficzne dla danych modalności. W przypadku DCE-MRI określ parametry naczyniowe: amplitudę A (związaną z objętością krwi) oraz stałą szybkości wymiany kep (związaną z perfuzją i przepuszczalnością naczyń) w przerzutach do kości za pomocą oprogramowania Dyna Lab (Mevis Research, Bremen, Germany) w oparciu o dwukomorowy model Brixa8,9. Do oceny dostępne są alternatywne modele farmakokinetyczne, np. model Tofts10.
- Aby ilościowo ocenić dane DCE-VCT, przeprowadź analizę opisową danych w celu obliczenia parametrów takich jak powierzchnia pod krzywą (AUC) lub szczytowe wzmocnienie (PE) za pomocą oprogramowania Dyna Lab (Mevis Research, Bremen, Germany).
- Ilościowo oceń informacje z DCE-US w czasie rzeczywistym, korzystając z oprogramowania do analizy ilościowej (np. Qontrast, Bracco, Italy), analizując pętle cine zgodnie z zaimplementowanym modelem wstrzyknięcia bolusa. Umieść obszar zainteresowania (ROI) nad przerzutem do kości, a następnie określ czynniki opisowe, takie jak powierzchnia pod krzywą, lub parametry ilościowe z map kolorystycznych, np. regionalną objętość krwi, regionalny przepływ krwi oraz czas napełniania.
7. Reprezentatywne wyniki
Po domięśniowym wtryśnięciu komórek MDA-MB-231 do SEA (Rycina 1), w odpowiedniej tylnej kończynie szczura nago rozwijają się swoiste dla danego miejsca przerzuty do kości. Zmiany osteolityczne ograniczone do kości udowej, piszczelowej i strzałkowej mogą być obrazowane nieinwazyjnie za pomocą MRI, VCT oraz US (Rycina 2) począwszy od około 25–30 dni po wtryśnięciu, z obserwacją w kolejnych tygodniach. Dzięki połączeniu MRI, VCT i US, w tym technik natywnych i z użyciem kontrastu, można ocenić komplementarne informacje o przerzutach do kości, które składają się z guza z tkanki miękkiej (komórek nowotworowych i zrębu) oraz odpowiadającej im zmiany osteolitycznej (destrukcji kości). W celu porównania danych uzyskanych za pomocą poszczególnych technik, wszystkie trzy metody obrazowania można zastosować sekwencyjnie u tego samego szczura. MRI obrazuje morfologię tkanki miękkiej przerzutu do kości, która początkowo jest ograniczona do jamy szpiku kostnego, a następnie w miarę rozwoju wykracza poza kość korową. Parametry funkcjonalne, takie jak regionalna objętość krwi, perfuzja i przepuszczalność naczyń, mogą być pozyskane z DCE-MRI i poddane kwantyfikacji (Rycina 3). Struktura kości, a w szczególności zmiany osteolityczne w przerzutach, są oceniane w wysokiej rozdzielczości za pomocą VCT. Jako uzupełnienie wyników MRI, zmiany osteolityczne są zlokalizowane w sąsiedztwie wzrostu guza wewnątrzszpikowego. Angiografia VCT ujawnia zmienioną architekturę makronaczyń w przerzutach do kości, a DCE-VCT obrazuje odpowiednie aspekty mikrokrążenia (Rycina 4). Ze względu na miejscową destrukcję kości korowej w zmianach przerzutowych, US znajduje zastosowanie w ocenie cech morfologicznych i funkcjonalnych guza z tkanki miękkiej przy użyciu technik B-mode i Dopplera. Po zastosowaniu mikropęcherzyków, DCE-US umożliwia obrazowanie unaczynienia w przerzutach do kości w czasie rzeczywistym (Rycina 5).

Rysunek 1. Tylna kończyna szczura nago przygotowana do inokulacji komórek nowotworowych, obrazowana za pomocą mikroskopu operacyjnego. A, wzór rozgałęzień tętnicy udowej (FA), w tym tętnicy nadbrzusznej powierzchownej (SEA), tętnicy kolanowej zstępującej (DGA), tętnicy podkolanowej (PA) oraz tętnicy sapyrycznej (SA). Założenie zacisków tętniczych na SA, PA i proksymalny odcinek FA oraz podwiązanie SEA; B, przecięcie SEA proksymalnie od miejsca podwiązania; C, rozluźnienie mięśniowe SEA po dodaniu papaweryny; D, nacięcie SEA (utrzymywane pęsetą); E, wprowadzenie igły do SEA; F, unieruchomiona igła w SEA (zewnętrzne urządzenie stabilizujące) i wstrzyknięcie komórek nowotworowych MDA-MB-231 poprzez SEA do DGA i PA dzięki zastosowanym zaciskom.

Rysunek 2. A, ludzki system MR (Symphony, Siemens, Niemcy) oraz zbudowana własnoręcznie cewka do wzbudzenia i detekcji częstotliwości radiowej umieszczona w skanerze; B, wolumetryczny tomograf komputerowy z panelem płaskim (Volume CT, Siemens, Niemcy); C, kliniczny system USG Acuson Sequioa 512 (Siemens-Acuson, Mountain View, CA).

Rysunek 3. Przekroje MR w płaszczyźnie osiowej. Panel lewy, MRI T2w; panel środkowy, amplituda A (DCE-MRI); panel prawy, stała szybkości wymiany kep (DCE-MRI). Strzałki wskazują przerzuty do kości. Mapa kolorów dla danych DCE-MRI obejmuje zakres od czerwieni (wysokie wartości) do niebieskiego (niskie wartości).

Rysunek 4. Trójwymiarowe rekonstrukcje VCT osteolitycznej przerzutności do kości (panel lewy), angiografia (panel środkowy) oraz przekrój DCE-VCT w orientacji osiowej dla parametru maksymalnego wzmocnienia (panel prawy). Mapa kolorów dla danych DCE-VCT obejmuje zakres od czerwieni (wysokie wartości) do błękitu (niskie wartości).

Rycina 5. Obrazy US w trybie B (morfologia, panel lewy), Dopplerze (perfuzja, panel środkowy) oraz CEUS (panel prawy, szczytowe wzmocnienie po wstrzyknięciu mikropęcherzyków podczas obrazowania unaczynienia w czasie rzeczywistym) przerzutu do kości.
Film dodatkowy 1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić film dodatkowy.