Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Obrazowanie molekularne MR raka prostaty z drobnocząsteczkowym środkiem kontrastowym ukierunkowanym na peptyd CLT1

11K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50565

⸱

3 września 2013

 ,  ,  ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, Case Western Reserve University , 2Department of Translational Hematology & Oncology Research, Cleveland Clinic, Case Western Reserve University , 3Department of Molecular Biology & Microbiology, Case Western Reserve University

W tym artykule

Podsumowanie

Aby zademonstrować obrazowanie molekularne raka MR za pomocą środka kontrastowego MRI z małym peptydem specyficznym dla skrzepłych białek osocza w zrębie guza w modelu raka prostaty u myszy.

Streszczenie

Macierz zewnątrzkomórkowa guza ma mnóstwo białek związanych z rakiem, które mogą być używane jako biomarkery do obrazowania molekularnego raka. W tej pracy wykazaliśmy skuteczne obrazowanie molekularne raka MR z małym peptydem ukierunkowanym na kompleks monoamidowy Gd-DOTA jako celowany środek kontrastowy MRI specyficzny dla skrzepłych białek osocza w zrębie guza. Przeprowadziliśmy eksperyment oceniający skuteczność środka do nieinwazyjnego wykrywania guza gruczołu krokowego za pomocą MRI w mysim ortotopowym modelu raka gruczołu krokowego PC-3. Celowany środek kontrastowy był skuteczny w wytwarzaniu znacznego wzmocnienia kontrastu guza przy niskiej dawce 0,03 mmol Gd/kg. Ukierunkowany na peptydy środek kontrastowy MRI jest obiecujący w obrazowaniu molekularnym MR guza gruczołu krokowego.

Wprowadzenie

Skuteczne obrazowanie celów molekularnych związanych z rakiem ma ogromne znaczenie dla poprawy dokładności wczesnego wykrywania i diagnozowania raka. Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) to potężna metoda obrazowania klinicznego o wysokiej rozdzielczości przestrzennej i braku promieniowania jonizacyjnego1. Jednak nie jest dostępny celowany środek kontrastowy do klinicznego obrazowania molekularnego raka MR. Innowacyjny projekt i opracowanie celowanych środków kontrastowych do rezonansu magnetycznego znacznie przyczyniłoby się do postępu w zastosowaniu obrazowania molekularnego raka metodą MR. Podjęto znaczne wysiłki w celu opracowania celowanych środków kontrastowych do obrazowania MR biomarkerów ulegających ekspresji na powierzchni komórek nowotworowych. Ze względu na stosunkowo niską czułość MRI i niskie stężenie tych biomarkerów, wyzwaniem jest wygenerowanie wystarczającego wzmocnienia kontrastu dla skutecznego obrazowania molekularnego MR przy użyciu małocząsteczkowych ukierunkowanych środków kontrastowych2,3. W celu uzyskania wystarczającego wzmocnienia przygotowano różne systemy dostarczania, takie jak liposomy, nanocząstki i koniugaty polimerowe o dużym obciążeniu paramagnetycznych chelatów Gd(III) w celu zwiększenia lokalnego stężenia środków kontrastowych w miejscach docelowych4,5. Chociaż te systemy dostarczania były w stanie wygenerować znaczne wzmocnienie guza w modelach zwierzęcych, ich duże rozmiary skutkowały powolną i niepełną eliminacją z organizmu, co skutkowało przedłużoną akumulacją toksycznych jonów Gd(III), co może powodować poważne obawy dotyczące bezpieczeństwa6. Ostatnio niektóre badania wykazały, że ograniczenia MRI w obrazowaniu molekularnym można przezwyciężyć poprzez wybór odpowiednich biomarkerów molekularnych o wysokiej ekspresji lokalnej w zmianach chorobowych i użycie małych środków molekularnych, które mogą być łatwo wydalane7,8. Kluczową cechą tych środków jest to, że są one ukierunkowane na markery molekularne obficie obecne w chorych tkankach z niewielką obecnością w normalnych tkankach. Wysokie stężenie środków kontrastowych może wiązać się z tymi celami, co skutkuje wystarczającym wzmocnieniem kontrastu dla skutecznego obrazowania molekularnego MR. Ponieważ ich rozmiar jest mniejszy niż próg filtracji nerkowej, niezwiązane środki kontrastowe mogą być łatwo wydalane z organizmu przy zmniejszonym hałasie tła. Wybraliśmy uniwersalny biomarker związany z rakiem, skrzepnięte białka osocza, które obficie występują w zrębie guza i rzadko występują w zdrowych tkankach9. Zsyntetyzowaliśmy celowany środek kontrastowy zawierający mały peptyd celujący CGLIIQKNEC (CLT1), który wykazywał silne specyficzne wiązanie z modelem guza prostaty PC310 i czterema chelatami monoamidowymi Gd-DOTA. W tym miejscu przedstawiamy metodologię obrazowania molekularnego raka MR w celu wykrycia guzów u myszy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Protokół zaadaptowany z wcześniejszego badania11.

1. Koniugacja Gd-DOTA z peptydem CLT1

  1. Korzystając ze standardowej syntezy peptydów w fazie stałej, zsyntetyzuj peptyd CLT1 (CGLIIQKNEC) z aminokwasów chronionych Fmoc na żywicy chlorku 2-chlorotrytylu (1,0 mmol).
  2. Po dodaniu końcowego aminokwasu, cyklizować liniowy peptyd na żywicy trifluorooctanem talu(III) (1,09 g, 2,0 mmol, 2 równoważniki) w DMF (20 ml) w temperaturze 0 °C przez 2 godziny.
  3. Następnie sprzęgnij kolejno PEG i lizynę z N-końcem peptydu CLT1 (1,0 mmol) na żywicy, reagując sekwencyjnie z Fmoc-NH-PEG-COOH (3,0 mmol), Fmoc-Lys(Fmoc)-OH (3,0 mmol) i drugą partią Fmoc-Lys(Fmoc)-OH (6 mmol).
  4. Usuń Fmoc za pomocą piperydyny. Dodaj DOTA-tris(t-Bu) (4,58 g, 8,0 mmol, 2 odpowiedniki dla każdej grupy aminowej), aby reagować z czterema wolnymi aminami z dendrymeru lizyny na żywicy przez 2 godziny.
  5. Na koniec rozszczepić i odbezpieczyć produkt od żywicy, traktując go koktajlem kwasu trifluorooctowego, wody i triizobutylosilanu (TIS) (20 ml, 95/2,5/2,5) przez 8 godzin w temperaturze pokojowej. Usuń żywicę przez filtrację, a następnie przemycie kwasem trifluorooctowym (TFA). Dodać połączone filtraty kroplami do zimnego eteru etylowego (200 ml), odwirować i przepłukać 4x eterem etylowym. Suszyć w próżni, aby uzyskać bezbarwne ciało stałe (1,99 g, 61% wydajności).
  6. Oczyszczać surowy produkt preparatywną HPLC przy użyciu gradientu 0-40% rozpuszczalnika B (0,1% TFA w acetonitrylu) w rozpuszczalniku A (0,1% wodny roztwór TFA) przez 20 minut i 40-90% rozpuszczalnika B w rozpuszczalniku A przez 10 min.
  7. Rozpuścić CLT1-dL-(DOTA)4 (250 mg, 0,077 mmol) w wodzie DI (15 ml) i dostosować pH do 6 za pomocą 1 M NaOH. Dodawać porcjami Gd(OAc)3,4H2O (472 mg, 0,462 mmol, 1,5 ekwiwalentu monoamidu DOTA) porcjami do roztworu, utrzymując pH na poziomie 6 przy użyciu 1 M NaOH. Mieszać roztwór reakcyjny w temperaturze pokojowej przez 48 godzin.
  8. Zespolić pozostałość Gd(III) kwasem etylenodiaminotetraoctowym (EDTA) (90 mg, 0,31 mmol) i oczyścić produkt surowy za pomocą kolumny wykluczającej wielkość, aby uzyskać produkt końcowy CLT1-dL-(Gd-DOTA)4 (169 mg, 57%).

2. Charakterystyka środków kontrastowych

  1. Zmierzyć zawartość Gd(III) za pomocą optyczno-indukcyjnie sprzężonej plazmo-optycznej spektroskopii emisyjnej.
  2. Uzyskanie widm masowych czasu przelotu z desorpcją/jonizacją laserową wspomaganą matrycą (MALDI-TOF) w trybie liniowym z kwasem 2,5-dihydroksybenzoesowym (2,5-DHB) jako matrycą.
  3. Zmierzyć czasy relaksacji wodnego roztworu środków kontrastowych CLT1-dL-(Gd-DOTA)4 i nieukierunkowanego środka kontrolnego sCLT1-dL-(Gd-DOTA)4 o różnych stężeniach przy 60 MHz (1,5 T) za pomocą relaksometru w temperaturze 37 °C. Użyć sekwencji impulsów inwersyjno-regeneracyjnych do pomiaru T1 i sekwencji Carra-Purcella-Meibooma-Gilla z 500 echami do pomiaru T2. Obliczyć rozluźnienie T1 iT2 czynników ze zboczy powierzchni 1/T1 i 1/T2 w zależności od stężeń Gd.

3. Hodowla komórkowa i rozwój modelu zwierzęcego z ortotopowym guzem prostaty PC3

  1. Hodowla komórek raka gruczołu krokowego PC3 z konstytutywną ekspresją białka zielonej fluorescencji (GFP) w pożywce RPMI uzupełnionej 5% płodową surowicą bydlęcą i penicyliną/streptomycyną/fungizonem, pobrano przez trypsynizację i ponownie zawiesino w gęstości 2,5 x 104 komórek/μl PBS.
  2. Utrzymuj samce nagich myszy atymicznych NIH (w wieku 4-5 tygodni) w Athymic Animal Core Facility, Case Western Reserve University (CWRU) zgodnie z protokołem dla zwierząt zatwierdzonym przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt CWRU.
  3. Powierzchnie chirurgiczne spryskano 2% roztworem chlorheksydyny, a następnie pokryto chłonnymi obłożeniami. Podczas zabiegu noszono sterylne rękawiczki chirurgiczne. Przed operacją na zwierzętach należy wstrzyknąć Avertin (250 mg / kg) w celu znieczulenia myszy. Alternatywnie ketamina/ksylazyna/acepromazyna może być stosowana w stężeniu 50/5/1 mg/kg. Na mysz nałożono maść okulistyczną w celu utrzymania odpowiedniej wilgotności podczas znieczulenia.
  4. Operację należy rozpocząć od wycięcia małego nacięcia przez skórę i otrzewną wzdłuż dolnej linii środkowej na długości około 1 cm za pomocą sterylnego skalpela. Podczas operacji przeżycia wokół miejsca nacięcia przykryto sterylną serwetę chirurgiczną.
  5. Delikatnie zewnętrzizuj i ustabilizuj płaty grzbietowe prostaty, aby odsłonić prostatę. Wstrzyknąć zawiesinę komórek PC3-GFP w PBS (20 μl) do gruczołu krokowego za pomocą igły o rozmiarze 30. Na koniec zamknij nacięcie za pomocą automatycznego klipsa do rany12.
  6. W celu monitorowania po zabiegu należy monitorować zwierzęta dwa razy dziennie przez 1 tydzień. Objawy choroby obejmują brak jedzenia, ciemny mocz zbierający się wokół cewki moczowej i niestabilny chód, który może wskazywać na infekcję lub niedrożność pęcherza moczowego w zszywkach.
  7. Po 10 dniach usuń zszywki za pomocą zmywacza do zszywek. Monitoruj zwierzęta codziennie, aby ocenić wielkość guza i wszelkie oznaki bólu, takie jak utrata wagi, odchylenia behawioralne i wady motoryczne. Poddaj eutanazji zwierzęta, które wykazały wielkość guza przekraczającą etycznie dozwolony limit lub dowody bólu podczas wzrostu guza.

4. Potwierdzenie specyficzności peptydów wiążących nowotwór za pomocą obrazowania fluorescencyjnego i histologii

  1. Po inokulacji komórek nowotworowych należy odczekać około 4 tygodni wzrostu guza przed rozpoczęciem obrazowania. Przed wstrzyknięciem sond peptydowych należy uzyskać obrazy fluorescencyjne GFP z żywymi myszami na obrazie fluorescencyjnym, aby zweryfikować obecność guza.
  2. Dożylnie wstrzyknąć peptydy znakowane Texas Red myszom z guzem w dawce 10 nmol / mysz.
  3. Poświęć myszy 2 godziny później przez zwichnięcie szyjki macicy, zbierz guz i główne narządy i natychmiast zobrazuj na obrazie fluorescencyjnym. Filtry światła zielonego należy stosować dla GFP (wzbudzenie: 444-490 nm; emisja: filtr długoprzepustowy 515 nm; ustawienia akwizycji: 500-720 w krokach co 10 nm) i filtry światła czerwonego dla czerwieni teksańskiej (wzbudzenie: 576-621 nm; emisja: filtr długoprzepustowy 635 nm; ustawienia akwizycji: 630-800 w krokach co 10 nm). Czas naświetlania 10 ms dla GFP i 150 ms dla Texas Red.
  4. Natychmiast po pomiarze fluorescencji całej tkanki należy pobrać tkanki nowotworowe, utrwalić formaliną i dokonać kriosekcji w plasterkach o wielkości 5 μm.
  5. Po spłukaniu PBS zamocować 1 kroplą podłoża montażowego zawierającego 4',6-diamidyn-2-fenyloindol (DAPI), natychmiast zobrazować na konfokalnym laserowym mikroskopie skaningowym.

5. Rezonans magnetyczny (MRI)

  1. Około 4 tygodnie po inokulacji komórek nowotworowych pozwól guzom urosnąć do 0,3-0,6 cm średnicy. Do badania MRI należy użyć skanera MRI o masie 7 T z cewką o częstotliwości radiowej (RF).
  2. Znieczulij mysz 2% mieszaniną izofluranu i tlenu w komorze indukcyjnej izofluranu. Na mysz nałożono maść okulistyczną w celu utrzymania odpowiedniej wilgotności podczas znieczulenia.
  3. Włóż igłę o rozmiarze 30 do rurki o długości 1,0 m wypełnionej heparynizowaną solą fizjologiczną. Umieść samodzielnie wykonany cewnik w żyle ogona myszy.
  4. Umieść mysz w magnesie i utrzymuj w znieczuleniu wziewnym z 1,5% izofluranem-tlenem przez stożek nosowy.
  5. Umieść czujnik oddechowy podłączony do systemu monitorowania na brzuchu, aby monitorować tempo i głębokość oddychania. Utrzymuj temperaturę ciała na poziomie 37 °C, wdmuchując gorące powietrze do magnesu przez system sterowania ze sprzężeniem zwrotnym.
  6. Zacznij od obrazów przekroju strzałkowego, używając sekwencji lokalizacyjnej w celu zidentyfikowania lokalizacji guza (TR/TE = 200/3,7 ms, FOV = 3,0 cm, grubość plastra = 2,2 mm, numer plastra = 16, średnia = 2, kąt odwrócenia = 45°, matryca = 128 x 128).
  7. Użyj gradientowej sekwencji tłumienia tłuszczu 2D T1, aby uzyskać obrazy osiowe 2D dla CE-MRI (TR/TE = 151,2/1,9 ms, FOV = 3,0 cm x 3,0 cm, grubość warstwy = 1,2 mm, numer warstwy = 12, średnia = 1, kąt odwrócenia = 80°, matryca = 128 x 128).
  8. Po uzyskaniu wyjściowego obrazu MR przed wstrzyknięciem należy rozpocząć wstrzykiwanie środka docelowego lub środka kontrolnego w dawce 0,03 mmol Gd/kg poprzez przepłukanie 200 μl soli fizjologicznej.
  9. Kontynuuj wykonywanie obrazów CE-MRI w różnych punktach czasowych przez maksymalnie 30 minut.

6. Przetwarzanie i analiza obrazu

  1. Do analizy obrazu należy używać oprogramowania do obrazowania.
  2. Narysuj obszary zainteresowania (ROI) na całym guzie i nerkach w dwuwymiarowej płaszczyźnie obrazowania i zmierz średnią intensywność sygnału.
  3. Aby określić ilościowo dane CE-MRI, zmierz wzmocnienie kontrastu guza lub nerki (ΔSNR) poprzez obliczenie wzrostu SNR po kontraście w stosunku do SNR przed kontrastem, używając następującego równania: ΔSNR = (St / σt) - (S0/σ0), gdzie S0 i St oznaczają sygnał w guzie lub nerkach przed i po kontraście, a σ0 i σt są odchyleniem standardowym hałasu mierzonego od powietrza tła przed i po kontraście.
  4. Oblicz wartości p za pomocą dwustronnego testu t studenta, zakładając istotność statystyczną na poziomie p<0,05.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Rysunek 1 przedstawia syntezę docelowego środka kontrastowego CLT1-dL-(Gd-DOTA)4 oraz ogólny schemat eksperymentu. CLT1-dL-(Gd-DOTA)4 wykazuje znacznie wyższą relaksywność niż kliniczny Gd-DOTA (Tabela 1). Przy 1.5 T relaksywność T1 na atom gadolinu dla CLT1-dL-(Gd-DOTA)4 w PBS (pH 7.4) jest około 3 razy wyższa niż dla Gd-DOTA10. Obrazowanie Maestro potwierdza silne specyficzne wiązanie CLT1 znakowanego Texas Red (CLT1-TR) z guzem, przy niewielkim wi...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Kroki krytyczne

Dobór odpowiedniego biomarkera i celowanie w mały peptyd

Aby skutecznie opracować celowany środek kontrastowy o niewielkich rozmiarach, należy wziąć pod uwagę dwa kluczowe punkty. Po pierwsze, ważne jest, aby wybrać odpowiednie biomarkery molekularne, które są obficie obecne w chorych tkankach, a ich obecność jest niewielka w normalnych tkankach. Nasz wybrany biomarker związany z rakiem, skrzepnięte białka osocza, spełnia ten wymóg. Po...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Podziękowania

Ta praca jest częściowo wspierana przez American Heart Association GRA Spring 09 Postdoctoral Fellowship (09POST2250268) oraz NIH R01 CA097465. Jesteśmy bardzo wdzięczni dr Wen Li i dr Vikas Gulani za badanie i konfigurację protokołu MRI oraz pani Yvonne Parker za pomoc w implantacji guza.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
ODCZYNNIKI
Fmoc chronione aminokwasyEMD Chemicals Inc
DOTA-tris(t-Bu)TCI America
PyBOP, HOBt, HBTUNova Biochem
DIPEA, trifluorooctan talu(III), TISSigma-Aldrich Corp.
Texas Red, ester sukcynimidylowy, pojedynczy izomerInvitrogenT20175
EQUIPMENTS
Agilent 1100 HPLC systemAgilent
ZORBAX 300SB-C18 Kolumna PrepHTAgilent
ICP-– S Optima 3100XLSpektrometr masowy Perkin-Elmer
MALDI-TOFBrukerAutoflexTM Speed
Maestro FLEX System obrazowania in vivoCambridge Research Instrumentation, Inc.
Skaner MRI Biospec 7TBruker

Bibliografia

  1. Brown, M. A., Semelka, R. C. MRI Basic Principles and Applications. , 3rd, John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey. (2003).
  2. Artemov, D. Molecular magnetic resonance imaging with targeted contrast agents. J. Cell. Biochem. 90, 518-524 (2003).
  3. Kalber, T. L., Kamaly, N., et al. A low molecular weight folate receptor targeted contrast agent for magnetic resonance tumor imaging. Mol. Imaging Biol. 13, 653-662 (2011).
  4. Schmieder, A. H., Winter, P. M., et al. Molecular MR imaging of melanoma angiogenesis with alphanubeta3-targeted paramagnetic nanoparticles. Magn. Reson. Med. 53, 621-627 (2005).
  5. Mulder, W. J., Strijkers, G. J., et al. MR molecular imaging and fluorescence microscopy for identification of activated tumor endothelium using a bimodal lipidic nanoparticle. FASEB J. 19, 2008-2010 (2005).
  6. Wang, S. J., Brechbiel, M., Wiener, E. C. Characteristics of a new MRI contrast agent prepared from polypropyleneimine dendrimers, generation 2. Invest. Radiol. 38, 662-668 (2003).
  7. Amirbekian, V., Aguinaldo, J. G., et al. Atherosclerosis and matrix metalloproteinases: experimental molecular MR imaging in vivo. Radiology. 251, 429-438 (2009).
  8. Overoye-Chan, K., Koerner, S., et al. EP-2104R: a fibrin-specific gadolinium-Based MRI contrast agent for detection of thrombus. J. Am. Chem. Soc. 130, 6025-6039 (2008).
  9. Pilch, J., Brown, D. M., et al. Peptides selected for binding to clotted plasma accumulate in tumor stroma and wounds. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 2800-2804 (2006).
  10. Rohrer, M., Bauer, H., Mintorovitch, J., Requardt, M., Weinmann, H. J. Comparison of magnetic properties of MRI contrast media solutions at different magnetic field strengths. Invest. Radiol. 40, 715-724 (2005).
  11. Wu, X., Burden-Gulley, S. M., et al. Synthesis and evaluation of a peptide targeted small molecular Gd-DOTA monoamide conjugate for MR molecular imaging of prostate cancer. Bioconjugate Chem. 23, 1548-1556 (2012).
  12. Burden-Gulley, S. M., Gates, T. J., et al. A novel molecular diagnostic of glioblastomas: detection of an extracellular fragment of protein tyrosine phosphatase mu. Neoplasia. 12, 305-316 (2010).
  13. McBride, J. D., Birgit, H., Leatherbarrow, R. J. Resin-coupled cyclic peptides as proteinase inhibitors. Protein and Peptide. 3 (3), 193-198 (1996).
  14. Cline, D. J., Thorpe, C., Schneider, J. P. General method for facile intramolecular disulfide formation in synthetic peptides. Anal. Biochem. 335 (1), 168-170 (2004).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Peptydowy rodek kontrastowyrodek kontrastowy do MRImonoamid Gd DOTAortotopowy model nowotworuobrazowanie fluorescencyjnemikroskopia konfokalnawzmocnienie sygna u
Obrazowanie molekularne MR raka prostaty z drobnocząsteczkowym środkiem kontrastowym ukierunkowanym na peptyd CLT1
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.