RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Shawn Stapleton1,2,3, Daniel Mirmilshteyn2, Jinzi Zheng3,4, Christine Allen2,4,5, David A. Jaffray1,2,3,4,5,6
1Department of Medical Biophysics,University of Toronto, 2Leslie Dan Faculty of Pharmacy,University of Toronto, 3STTARR Innovation Centre,Princess Margaret Cancer Centre, 4Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering,University of Toronto, 5Techna Institute,University Health Network, 6Radiation Medicine Program,Princess Margaret Cancer Centre
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Heterogeniczne nagromadzenie liposomów wewnątrz guza zostało powiązane z nieprawidłowym mikrośrodowiskiem guza. W niniejszej pracy przedstawiono metody pomiaru mikrokrążenia guza za pomocą obrazowania perfuzyjnego i podwyższonego ciśnienia płynu śródmiąższowego (IFP) przy użyciu systemu robotycznego sterowanego obrazem. Pomiary są porównywane z wewnątrznowotworową akumulacją liposomów, oznaczoną za pomocą wolumetrycznego obrazowania mikro-CT.
Heterogeniczne nagromadzenie liposomów wewnątrz guza jest krytycznym wyznacznikiem ich skuteczności. Zarówno chaotyczne mikrokrążenie guza, jak i podwyższony IFP są związane z niejednorodną dystrybucją wewnątrz guza w systemach dostarczania leków opartych na nanotechnologii, takich jak liposomy. W niniejszym badaniu zbadano związek między mikrokrążeniem guza, podwyższonym IFP i akumulacją nanocząstek poprzez eksperymenty in vivo. Osiągnięto to poprzez ocenę mikrokrążenia guza za pomocą dynamicznej tomografii komputerowej ze wzmocnieniem kontrastu (DCE-CT) oraz pomiar IFP guza za pomocą nowatorskiego, sterowanego obrazem zrobotyzowanego systemu umieszczania igieł podłączonego do mikrotomografu komputerowego. Akumulację liposomów wewnątrz guza określono za pomocą oceny opartej na obrazie CT liposomalnego preparatu nanocząsteczkowego, który stabilnie kapsułkuje środek kontrastowy ioheksol (liposomy CT). Obrazowanie TK pozwoliło na kolokalizację przestrzennego rozkładu hemodynamiki guza, akumulacji IFP i liposomów CT w indywidualnym mysim modelu ksenoprzeszczepu podskórnego raka piersi. Pomiary doprowadziły do odkrycia, że perfuzja i frakcja objętościowa osocza są silnymi mediatorami dystrybucji liposomów w obrębie guza. Co więcej, wyniki sugerują, że IFP odgrywa pośrednią rolę w pośredniczeniu w dystrybucji liposomów poprzez modulację przepływu krwi.
Pomiar wewnątrznowotworowej akumulacji nanocząsteczek systemów dostarczania leków może dostarczyć ważnego narzędzia do określenia, czy osiągnięto odpowiednie stężenie leku cytotoksycznego w obrębie guza. Opracowanie "obrazowalnych" systemów liposomalnych pozwala na nieinwazyjne i ilościowe wykrywanie in vivo nośnika dostarczającego lek za pomocą metod obrazowania, takich jak pozytonowa tomografia emisyjna (PET)1, fluorescencjaoptyczna2 oraz tomografia komputerowa (CT)3,4 i obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI)5. Obrazowanie wykorzystano do określenia farmakokinetyki i biodystrybucji systemów dostarczania liposomów oraz do ujawnienia zakresu heterogeniczności międzyobiektowej i wewnątrznowotworowej w akumulacji nanocząstek6,7. Jednak samo obrazowanie nanocząstek nie pozwala zidentyfikować barier biologicznych, które przyczyniły się do ich słabej akumulacji i dystrybucji. Wiedza ta ma zasadnicze znaczenie dla racjonalnego rozwoju bardziej skutecznych preparatów i strategii poprawy akumulacji wewnątrz guza8. Wykazano, że strategie terapeutyczne mogą być stosowane do modulowania określonych barier biologicznych, co skutkujelepszym transportem nanocząstek9. Ponadto opracowano preparaty nanocząstek, aby specjalnie pokonać specyficzną barierę transportu biologicznego10. W obu scenariuszach pomiary barier biologicznych mogą być wykorzystane do ukierunkowania stosowania odpowiedniej strategii dostarczania leków w postaci nanocząstek.
Mikrokrążenie guza i podwyższony IFP są uważane za dwa kluczowe czynniki determinujące wewnątrznowotworową akumulację nanocząstek, takich jak liposomy, w guzach litych9,11. Jednak inne bariery, które przyczyniają się do słabej akumulacji liposomów, to gęsta macierz zewnątrzkomórkowa, nieprzepuszczalne naczynia krwionośne i ciśnienie w tkance stałej12. Bariery te są powiązane w sposób przestrzenno-czasowy, przy czym nieprawidłowy przepływ krwi i podwyższone ciśnienie płynu śródmiąższowego to dwa ważne czynniki napędzające początkowe dostarczanie i wynaczynienie nanocząstek. Jak omówiono wcześniej, ustalenie związku między mikrokrążeniem guza, podwyższonym IFP i wewnątrznowotworową akumulacją liposomów jest niezbędne do prawidłowej interpretacji danych obrazowania liposomów. W niniejszym artykule przedstawiono ilościowe metody pomiaru związku między mikrokrążeniem guza, podwyższonym IFP i akumulacją nanocząstek w guzie litym. Osiąga się to poprzez wykonywanie kolokalizowanych pomiarów rozmieszczenia wewnątrz guza liposomowego środka kontrastowego CT za pomocą wolumetrycznego obrazowania CT, mikrokrążenia guza za pomocą obrazowania tomografii komputerowej wzmocnionej kontrastem oraz IFP guza za pomocą sterowanego obrazem robotycznego systemu pozycjonowania igły, zwanego robotem CT-IFP13.
Wszystkie eksperymenty in vivo zostały przeprowadzone zgodnie z protokołem zatwierdzonym przez Uniwersytecką Sieć Zdrowia Instytucjonalną Komisję ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt.
1. Model zwierzęcy
2. Przygotowanie i charakterystyka liposomów CT
3. Obrazowanie CT mikrokrążenia guza i dystrybucji liposomów CT
UWAGA: Postępuj zgodnie z instrukcjami producenta dotyczącymi wykonywania skanowania wolumetrycznego, jeśli używana jest inna wersja oprogramowania lub sprzętu.
4. Przestrzenne pomiary ciśnienia płynu śródmiąższowego guza
Powyższy protokół powinien dać liposomy CT o zamkniętym w kapsułkach stężeniu joheksolu, średniej średnicy liposomu i potencjale zeta wynoszącym odpowiednio 55 mg ml-1, 91,8 ± 0,3 nm i -45,5 ± 2,5 mV. Rycina 1a zawiera reprezentatywne wyniki obrazowania DCE-CT, dające szereg czasowy danych wolumetrycznych, które pokazują czasowe zmiany w akumulacji joheksolu w obrębie nowotworu. Wybranie ROI w obrębie guza daje TIC, który można określić ilościowo za pomocą metod modelowania kinetycznego znacznika w celu uzyskania szacunków perfuzji, przepuszczalności naczyń, frakcji objętości osocza i frakcji objętości śródmiąższowej (ryc. 1b). W tym badaniu wykorzystano dwuprzedziałowy model kinetyczny znacznika i dopasowano go do zmierzonego TIC przy użyciu nieliniowej procedury dopasowania krzywej zaimplementowanej w Matlab14. Segmentacja objętości guza na wiele obszarów zainteresowania o równej wielkości pozwala na ilościowe określenie przestrzennego rozkładu parametrów hemodynamicznych w obrębie objętości guza (ryc. 1c). Segmentację można przeprowadzić albo ręcznie, co jest czasochłonne i trudne, albo automatycznie, jak w przypadku algorytmu, który dzieli guz na wiele równych rozmiarów ROI za pomocą sferycznego układu współrzędnych. Metody DCE-CT zapewniają ilościowe oszacowania przestrzennego rozkładu perfuzji, przepuszczalności naczyń, frakcji objętościowej osocza i frakcji objętości śródmiąższowej. Zaobserwowano, że parametry te są przestrzennie niejednorodne z wyższymi poziomami frakcji perfuzji, osocza i objętości śródmiąższowej wzdłuż obwodu w porównaniu z objętością guza centralnego.
Metoda wolumetrycznego obrazowania CT ujawnia biodystrybucję i rozmieszczenie wewnątrz guza liposomów CT. Rycina 2a przedstawia biodystrybucję liposomów CT po 48 godzinach od wstrzyknięcia. Środek nadal krąży w układzie naczyniowym, a znaczny wychwyt obserwuje się w śledzionie i wątrobie. Zaobserwowano, że wewnątrznowotworowa akumulacja liposomów CT jest niejednorodna, z głównie akumulacją obwodową w porównaniu z centrum, co oznaczają jasne obszary w objętości guza (ryc. 2b).
Wolumetryczne obrazowanie CT może być używane do śledzenia lokalizacji pomiarów IFP wykonanych za pomocą konfiguracji robota CT-IFP. Rycina 3a przedstawia umieszczenie igły IFP w objętości guza, jak zobrazowano za pomocą mikrotomografii komputerowej o wysokiej rozdzielczości. Igła może być wyraźnie zidentyfikowana w objętości guza, co pozwala na przestrzenną lokalizację pomiarów IFP w objętości guza (ryc. 3b). Możliwe jest wygenerowanie przestrzennej mapy IFP w całym guzie poprzez wykonanie wielu pomiarów IFP w objętości guza. Przestrzenny IFP można następnie skorelować z odpowiednimi pomiarami mikrokrążenia guza i akumulacji liposomów CT.
Wolumetryczne obrazowanie CT pozwala na wspólny układ odniesienia, umożliwiając kolokalizację pomiarów hemodynamiki, IFP i akumulacji liposomów CT. Rysunek 4 przedstawia przykład przestrzennie kolokalizowanych pomiarów akumulacji liposomów CT, IFP, perfuzji, przepuszczalności naczyń, frakcji objętościowej osocza i frakcji objętościowej śródmiąższowej. Zaobserwowano, że perfuzja i frakcja objętościowa osocza były istotnie skorelowane z wewnątrznowotworową akumulacją liposomów CT w podskórnych guzach MDA-MB-231. Ponadto rozkład radialny IFP korelował z pomiarami hemodynamicznymi. Wyniki te sugerują, że istnieje złożony związek czasoprzestrzenny między mikrokrążeniem guza, IFP a wewnątrznowotworową akumulacją liposomów14.

Rycina 1: Obrazowanie DCE-CT mikrokrążenia guza. (a) Reprezentatywna seria czasowych obrazów CT zebranych w objętości guza, przedstawiająca kinetykę środka kontrastowego w funkcji czasu. Czerwony kontur reprezentuje ROI, w którym mierzona jest krzywa intensywności czasu (TIC). (b) TIC jest dopasowany przy użyciu dwukompartmentowego modelu kinetycznego znacznika w celu uzyskania ilościowych oszacowań parametrów hemodynamicznych w ramach ROI. (c) Reprezentatywny rozkład przestrzenny ilościowych parametrów hemodynamicznych w guzie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 2: wolumetryczne obrazowanie TK akumulacji liposomów. a) Reprezentatywny obraz 3D renderowany objętościowo demonstrujący biodystrybucję liposomów CT. (b) Reprezentatywne wycinki osiowe, czołowe i strzałkowe pobrane przez środek guza, pokazujące wewnątrznowotworową akumulację liposomów CT w 48 godzinach po wstrzyknięciu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Pomiary IFP sterowane obrazem. (a) Reprezentatywny, renderowany objętościowo obraz 3D systemu robota CT-IFP (zielony) po wprowadzeniu igły do guza podskórnego w 48 godziny po wstrzyknięciu liposomów CT (pomarańczowy). (b) Reprezentatywny obraz TK przedstawiający wprowadzenie po wkłuciu igły. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 4: Współlokalizowane pomiary mikrokrążenia guza, IFP i akumulacji liposomów CT. Panel przedstawiający reprezentatywną przestrzenną kolokalizację akumulacji liposomów CT pobraną 48 godzin po wstrzyknięciu, IFP, perfuzję, przepuszczalność naczyń, frakcję objętościową osocza i frakcję objętościową śródmiąższową. Ponowny wydruk za zgodą14. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia
Heterogeniczne nagromadzenie liposomów wewnątrz guza zostało powiązane z nieprawidłowym mikrośrodowiskiem guza. W niniejszej pracy przedstawiono metody pomiaru mikrokrążenia guza za pomocą obrazowania perfuzyjnego i podwyższonego ciśnienia płynu śródmiąższowego (IFP) przy użyciu systemu robotycznego sterowanego obrazem. Pomiary są porównywane z wewnątrznowotworową akumulacją liposomów, oznaczoną za pomocą wolumetrycznego obrazowania mikro-CT.
Autorzy chcieliby podziękować Dr. Javedowi Mahmoodowi za pomoc w hodowli komórek MDA-MB-231 i wszczepieniu ksenoprzeszczepów MDA-MB-231, Linyu Fan za przygotowanie liposomów CT. Shawn Stapleton jest wdzięczny za finansowanie z Programu Stypendiów Podyplomowych w Dziedzinie Nauk Przyrodniczych i Inżynierii oraz Strategicznej Inicjatywy Fundacji Terry'ego Foxa na rzecz Doskonałości w Badaniach nad Promieniowaniem w XXI wieku (EIRR21) w CIHR. Badanie to było wspierane przez granty z Terry Fox New Frontiers Program (020005) i Canadian Institutes of Health Research (102569).
| MDA-MB-231 komórki nowotworowe gruczolakoraka piersi z przerzutami | ATCC | HTB-26 | |
| Zmodyfikowany Eagle Medium firmy Dulbecco (DMEM) | Life Technologies | 11965-092 | |
| Płodowa surowica bydlęca (FBS) | Sigma-Aldrich | F1051 | |
| HyClone Penicylina-Streptomycyna 100x Roztwór | GE Healthcare Nauki przyrodnicze | SV30010 | |
| Trypsyna-EDTA (0,05%), czerwień fenolowa | ThermoFisher Scientific | 25300-054 | |
| 1,2-dipalmitoilo-sn-glicero-3-fosfocholina (DPPC) | Avanti Lipids Inc., Stany Zjednoczone | 850355P | |
| Cholesterol (CH) | Avanti Lipids Inc., USA | 700000P | |
| 1,2-distearoilo-sn-glicero-3-fosfoetanoloamino-N-poli(glikol etylenowy) 2000 (DSPE-PEG2000) | Avanti Lipids Inc., USA | 880128P | |
| Omnipaque (Iohexol) 300 mg jodu/ml | GE Healthcare, CA | ||
| Wielkość porów 80 nm Membrany poliwęglanowe Track-Etch | Whatman Inc., USA | ||
| Wielkość porów 200 nm Membrany poliwęglanowe Track-Etch | Whatman Inc., USA | ||
| Wytłaczarka Lipex 10 m | Nothern Lipids Inc, CA | ||
| Worek do dializy Odcięcie masy cząsteczkowej (MWCO) 8 kDa | Spectrum Labs, USA | ||
| 750 000 Nominalna masa cząsteczkowa odcięta (NMWC) Kolumna o przepływie stycznym | Wkład ultrafiltracyjny MidGee, GE Healthcare, CA | ||
| Pompa perystaltyczna | Watson Marlow Inc., USA | ||
| Spektrometr UV | Helios γ, Spectronic Unicam, Analizator | wielkości cząstek USA||
| 90Plus | Brookhaven, Holtsville, Stany Zjednoczone | ||
| System eXplore Locus Ultra micro-CT | GE Healthcare, Kalifornia | Manipulowane za pomocą oprogramowania CT-Console | |
| Rekonstrukcja oparta na procesorze graficznym AxRecon | Acceleware Corp. CA | ||
| 27 G Cewnik SURFLO Winged Zestaw infuzyjny | Terumo Medical Products, USA | SV*27EL | |
| Rurka polietylenowa PE20 | Becton Dickinson, USA | 427406 | |
| Końcówka pióra 25 G i razy; 3,5 i prime; ′ Igła rdzeniowa Whitacre | Becton Dickinson, Stany Zjednoczone | 405140 | Igła IFP |
| P23XL przetwornik ciśnienia | Aparatura Harvarda, CA | P23XL | |
| PowerLab 4/35, wzmacniacz mostkowy, z LabChart Pro 7.0 | ADInstruments Pty Ltd., USA | PL3504, FE221 | System akwizycji IFP i oprogramowanie do akwizycji |
| CT-Sabre Small Animall Intervention system (CT-IFP Robot) | Parallax Innovations, CA | Manipulowany za pomocą oprogramowania sterującego robotem CT-IFP | |
| do | osiowania robotów CT-IFP | Niestandardowe Oprogramowanie Matlab | |
| do analizy DCE-CT | Niestandardowe oprogramowanie Matlab | ||
| Matlab 2013b | Mathworks, USA |