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Research Article
Elizabeth Kenyon1,2, Erin Zaluzec1,3, Katherine Powell1,2, Maximilian Volk1,4, Shatadru Chakravarty2,5, Jeremy Hix2,6, Matti Kiupel7, Erik M. Shapiro2, Lorenzo F. Sempere1,2
1Precision Health Program,Michigan State University, 2Department of Radiology,Michigan State University, 3Department of Pharmacology & Toxicology,Michigan State University, 4College of Osteopathic Medicine,Michigan State University, 5TechInsights Inc., 6IQ Advanced Molecular Imaging Facility,Michigan State University, 7Veterinary Diagnostic Laboratory, College of Veterinary Medicine,Michigan State University
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Um procedimento para a entrega de uma solução química ablativa à árvore ductal mamária de ratos para tratamento preventivo guiado por imagem do câncer de mama é descrito. As células epiteliais mamárias podem ser alvo de dano tecidual colateral mínimo por meio de canulação diretamente na abertura do mamilo e infusão intraductal de uma solução ablativa à base de etanol a 70%.
Ainda há um número limitado de intervenções primárias para a prevenção do câncer de mama. Para as mulheres com alto risco de desenvolver câncer de mama, a intervenção mais eficaz é a mastectomia profilática. Este é um procedimento cirúrgico drástico em que as células epiteliais mamárias que podem dar origem ao câncer de mama são completamente removidas junto com o tecido circundante. O objetivo deste protocolo é demonstrar a viabilidade de um procedimento intraductal minimamente invasivo que possa se tornar uma nova intervenção primária para a prevenção do câncer de mama. Este procedimento local ablaria preferencialmente as células epiteliais mamárias antes que elas pudessem se tornar malignas. Métodos intraductais para fornecer soluções diretamente a essas células epiteliais em modelos de roedores de câncer de mama foram desenvolvidos na Michigan State University e em outros lugares. A glândula mamária de rato consiste em uma única árvore ductal que tem uma arquitetura mais simples e linear em comparação com a mama humana. No entanto, modelos de câncer de mama induzidos quimicamente em ratos oferecem ferramentas valiosas para estudos de prova de conceito de novas intervenções preventivas e escalabilidade de modelos de camundongos para humanos. Aqui, um procedimento para a entrega intraductal de uma solução ablativa à base de etanol contendo nanopartículas de óxido de tântalo como agente de contraste de raios-X e etila celulose como agente gelificante na árvore ductal mamária de ratos é descrito. A administração de reagentes aquosos (por exemplo, compostos citotóxicos, siRNAs, AdCre) por injeção intraductal foi descrita anteriormente em modelos de camundongos e ratos. Esta descrição do protocolo enfatiza mudanças metodológicas e etapas que dizem respeito exclusivamente ao fornecimento de uma solução ablativa, consideração da formulação para minimizar os efeitos colaterais locais e sistêmicos da solução ablativa e imagens de raios-X para avaliação in vivo do enchimento ductal de árvores. As técnicas de fluoroscopia e micro-TC permitem determinar o sucesso da entrega da solução ablativa e a extensão do enchimento ductal da árvore graças à compatibilidade com o agente de contraste contendo tântalo.
Para as mulheres nos EUA1, o câncer de mama (BC) continua a ser o tipo de câncer mais diagnosticado e causa mais mortes do que qualquer outro tipo de câncer, exceto o câncer de pulmão. As projeções para 2022 estimam que 51.400 mulheres serão diagnosticadas com carcinoma in situ e 287.850 mulheres serão diagnosticadas com carcinoma invasivo, e que 43.600 mulheres morrerão de BC1. Apesar da prevalência e mortalidade associadas à CB, existem poucas opções disponíveis para a prevenção primária e a pesquisa translacional sobre novas intervenções, uma vez que a prevenção primária não é priorizada pelos órgãos federais2. A mastectomia profilática é a intervenção mais eficaz para a prevenção primária. No entanto, esse procedimento só é recomendado para indivíduos de alto risco, pois é uma cirurgia de grande porte com consequências que mudam a vida3. Esta cirurgia envolve a remoção completa das células epiteliais mamárias a partir das quais a carcinogênese se desenvolve, bem como o tecido circundante normal. Os indivíduos são muitas vezes dissuadidos de usar este procedimento como sua primeira opção de intervenção primária devido ao impacto negativo do estresse físico, psicológico e social. Por esses motivos, mesmo alguns indivíduos de alto risco optam por não se submeter a esse procedimento e optam por uma espera vigilante ou estratégias de vigilância semelhantes3. Em publicação anterior, a entrega de etanol a 70% (EtOH) diretamente na árvore ductal de modelos de camundongos foi eficaz na ablação química de células epiteliais mamárias com danos limitados ao tecido normal adjacente e na prevenção da formação de tumor de mama4. A ETOH é utilizada em múltiplas aplicações clínicas como agente ablativo para o tratamento local de alguns tipos de câncer ou agente esclerosante para o tratamento local do inchaço e malformações arteriovenosas 5,6,7,8,9,10,11,12,13,14 . A baixa toxicidade e o perfil de segurança da EtOH estão bem estabelecidos, pois em alguns procedimentos até 50 mL de EtOH a 95% podem ser administrados por sessão 5,10.
A remoção completa das células epiteliais mamárias a partir das quais a CB se desenvolve é o componente mais crucial da mastectomia profilática e da entrega local de uma solução ablativa. Portanto, a confirmação do enchimento ductal completo da árvore é necessária para garantir que a solução ablativa tenha entrado em contato direto com todas as células epiteliais mamárias. A entrega de uma solução dentro da(s) árvore(s) ductal e sua visualização por fluoroscopia guiada por imagem ou ductografia são possíveis por meio de procedimentos clínicos já existentes15,16,17. Assim, será viável implementar e avaliar prontamente esse procedimento em ensaios clínicos. Um passo fundamental para estabelecer a eficácia e a viabilidade translacional da ablação intraductal (ID) como uma nova intervenção para a prevenção primária será demonstrar a viabilidade dessa abordagem de visualização de raios-X em modelos animais de tamanho e complexidade crescentes de sua arquitetura de árvore ductal 4,18,19. Um protocolo que amplia esse procedimento ablativo de modelos de camundongo20 para rato é descrito aqui. Enquanto as árvores ductais de camundongos e ratos têm uma estrutura linear semelhante e um padrão de ramificação, a árvore ductal de rato é proporcionalmente maior e é cercada por um estroma muito mais denso. Implementamos um método em laboratório para injetar com sucesso cada glândula mamária em um rato durante uma série de sessões semanais com uma solução ablativa contendo um agente de contraste. O espaçamento entre sessões é necessário para garantir que os animais tenham efeitos colaterais mínimos de EtOH (Figura 1 e Figura 2). O procedimento envolve a injeção da solução ablativa diretamente na abertura do mamilo de um rato anestesiado com isoflurano com uma agulha 33 G. Algumas das principais melhorias do procedimento incluem o uso de tratamento anti-inflamatório prolongado, injeção de volumes mais altos por árvore ductal do que o sugerido21 e seringas à prova de gás para líquidos e gases. A duração do tratamento com 5 mg/kg de carprofeno (um AINE) de 48 h antes a 1 semana após as injeções de ID é comparável ao protocolo anti-inflamatório utilizado para a terapia esclerosante da malformação venosa na clínica. O tratamento é realizado em pacientes sob anestesia sistêmica seguida de 2 dias de medicamentos anti-inflamatórios, como AINEs. O tratamento anti-inflamatório pode ser estendido por mais alguns dias para reduzir a inflamação local e qualquer dor potencial13. Tal como nos ratinhos20, a injeção intraperitoneal de uma solução de sacarose a 5% atenua o efeito a curto prazo da intoxicação alcoólica em ratos. Os ratos podem ser injetados com até 1 mL de EtOH a 70% (até 4 ductos; 0,2 g/dL de conteúdo de EtOH no sangue) em uma única sessão quando administrados com esta solução de sacarose; os animais recuperam totalmente no prazo de 4 h após as injeções de identificação. Realizamos sessões sequenciais para permitir tempo de recuperação suficiente ao injetar mais de 4 glândulas e/ou concentrações mais altas de EtOH. A intoxicação alcoólica em mulheres será muito menos provável, pois a injeção de ID de todas as árvores ductais em ambas as mamas, assumindo 16 ductos principais16,17 e 2 mL por ducto 22,23, com 70% de EtOH, resultaria em menos de 0,1 g / dL de conteúdo de EtOH no sangue e pode causar comprometimento leve.
A radiografia permite determinar o sucesso do parto intraductal em cada glândula individual e se toda a árvore ductal está preenchida (Figura 1, Figura 2, Figura 3). Imagens de fluoroscopia em tempo real em preparação para microtomografia computadorizada e/ou reconstrução 3D de dados de arquivos DICOM podem ser usadas para avaliar a extensão da entrega da solução na árvore ductal e qualquer vazamento no estroma. O uso de fluoroscopia pode ajudar a limitar a dose total de radiação imposta ao animal. A técnica de fluoroscopia aproxima-se mais da aplicação clínica pretendida para orientação por imagem deste tratamento ablativo. A comparação de isovue contendo iodo aprovado pela FDA com nanopartículas de óxido de tântalo (TaOx) foi realizada a fim de refinar ainda mais a utilidade da solução ablativa 4,19. Verificou-se que o TaOx é um agente de contraste micro-TC superior ao Isovue para visualização do enchimento inicial da árvore ductal em camundongos 4,19. Aqui, demonstramos que o TaOx é um meio de contraste adequado para visualizar o enchimento inicial da árvore ductal do rato (Figura 2 e Figura 3). Tanto na pesquisa translacional quanto em aplicações de prática clínica, o agente gelificante etil celulose (CE) foi adicionado à solução de EtOH para minimizar a difusão das regiões-alvo pretendidas 13,14,24,25,26,27,28,29. Estudos têm demonstrado que a adição de até 1,5% de EC a soluções ablativas contendo EtOH é compatível com imagens baseadas em TaOx (Figura 3). Estes, bem como outros refinamentos para a solução ablativa podem ajudar na tradução pronta deste procedimento guiado por imagem para a clínica.
Todos os experimentos descritos foram conduzidos sob protocolos aprovados pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais da Michigan State University.
1. Tratamento anti-inflamatório prolongado
2. Preparação pré-operatória
NOTA: Certifique-se de que a etapa de preparação do animal precede o procedimento de injeção de ID por 2-3 dias.
3. Injeção intraductal
4. Micro-TC
5. Análise de imagem
Cada uma das 12 glândulas mamárias de uma rata contém uma única árvore ductal que se abre no orifício do mamilo. Apesar das diferenças de tamanho entre o camundongo e o rato, o momento de desenvolvimento das glândulas mamárias e o tempo em que esses animais atingem a idade adulta é muito semelhante30,31. Uma breve descrição dos principais estágios do desenvolvimento da glândula mamária em ratos como representativos de ambas as espécies de roedores é fornecida. Os brotos terminais (TEBs) são as estruturas altamente proliferativas nas pontas da árvore ductal alongadora que direcionam a ramificação ductal30,31. O pico de proliferação e densidade dos TEBs ocorre às 3-4 semanas de idade durante a fase de alongamento da árvore ductal no desenvolvimento puberal30. Por 9-10 semanas de idade, há poucos TEBs restantes, pois a árvore ductal cresceu para ocupar todo o comprimento da almofada de gordura30. Depois disso, o crescimento e a expansão da árvore ductal são proporcionais aos da almofada de gordura e do animal32. As unidades lobulares ductais terminais (TDLUs) na mama humana desempenham um papel semelhante aos TEBs em roedores. Os TDLUs são a principal fonte de início da carcinogênese e progressão para BC33,34. Podemos injetar até 300 μL de solução de EtOH a 70% para preencher toda a árvore ductal das glândulas mamárias torácicas e abdominais do rato Sprague-Dawley de 9 semanas de idade (Figura 1, Figura 2, Figura 3). Ao contrário dos camundongos 20, os mamilos das glândulas cervical e inguinal dos ratos Sprague-Dawley são tipicamente adequados para injeção em mais de 80% dos animais, e até 100 μL de solução de EtOH a70% são necessários para preencher toda a árvore ductal (Figura 2). Injetamos rotineiramente até 10 glândulas mamárias com a solução ablativa em estudo. Um delineamento experimental típico consiste em duas sessões semanais independentes de injeção de DI, nas quais cinco glândulas alternadas são infundidas com a solução ablativa contendo contraste de raios-X e/ou EC como agente gelificante (Figura 2). Para a solução ablativa contendo TaOx (50-200 mM), a fluoroscopia e/ou a microtomografia computadorizada são realizadas após o término de cada sessão para determinar e registrar o sucesso individual de infundir cada árvore ductal com quantidade parcial ou total de solução infundida (Figura 2). A imagem imediata e longitudinal após a injeção permite avaliar como as alterações na formulação, especialmente a concentração do agente gelificante CE, afetam e limitam a difusão externa da solução ablativa em função do volume injetado (Figura 3). Esta análise de imagem fornece informações para entender os parâmetros ideais para alcançar a ablação máxima com dano tecidual colateral mínimo.

Figura 1: Esquemas do procedimento para injeção intraductal e análise de imagens em ratos. Destaca-se o procedimento passo-a-passo para injeção intraductal e análise de imagens. Por favor, veja o vídeo para mais detalhes. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Exemplos de canulação mamilar e resultado da entrega da solução ablativa em múltiplas glândulas mamárias . (A) Apresentação típica das formas dos mamilos na linhagem de ratos Sprague-Dawley. O comprimento do mamilo correlaciona-se com a probabilidade de canulação bem-sucedida. Mamilos mais longos são mais fáceis de canular do que mamilos curtos, enquanto mamilos excessivamente curtos ou vestigiais não podem ser canulados. Uma vez canulados, os mamilos longos e curtos podem ser infundidos com a solução e alcançar taxas de sucesso semelhantes de entrega. O corante alimentar azul na solução injetada pode ser usado como evidência in vivo de enchimento ductal de árvores e sucesso de entrega (mais aparente, formação de cúpula, para uma injeção de almofada de gordura malsucedida). As representações de fluoroscopia em tempo real (B) e micro-TC 3D geradas após a aquisição da imagem (C) fornecem evidências in vivo do sucesso da entrega e de uma avaliação mais quantitativa da solução que chega aos TEBs. (B) Cada glândula mamária abdominal do primeiro par (#4, #10) recebeu solução ablativa com CE a 1% (contorno laranja) ou sem ela (contorno verde) (C) Entrega bem-sucedida (contorno azul) da solução ablativa no colo cervical direito (, segundo par de glândulas mamárias torácicas (#3, #9) e primeiro par de glândulas mamárias abdominais (#4, #10) e injeção malsucedida (contorno branco tracejado) na glândula torácica esquerda (1). As barras de escala correspondem a 1 mm nas imagens com diferentes ampliações. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Reconstrução 3D e avaliação do enchimento e difusão da solução ablativa . EtOH/100 mM TaOx nanopartículas a 70% com 1% de CE (superior) ou sem CE (inferior) foram injetadas por via intraductal no segundo par de glândulas mamárias abdominais (#4 e #10) e imediatamente fotografadas por micro-TC. Cada rato Sprague-Dawley recebeu um volume crescente de qualquer uma das soluções. Árvores ductais individuais foram reconstruídas usando um pacote de software de análise de imagem (spline trace + propagate object + threshold rendition). Com 1% EC, a solução pode ser vista chegando às extremidades do terminal. À medida que o volume entregue é aumentado, o número de TEBs preenchidos é mais aparente. A barra de escala corresponde a 10 mm em todas as representações. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Questão | Aparência | Solução |
| Mamilo curto (Fig. 2) | Mamilo tem perfil baixo – difícil de agarrar | Às vezes é mais fácil segurar a pele perto do mamilo e atingir o centro do mamilo com a agulha. A agulha provavelmente mergulhará sob a pele. Puxar para cima lentamente pode revelar que o mamilo está ligeiramente sobre a ponta da agulha e dar espaço para agarrá-lo e puxá-lo o resto do caminho para a agulha. Tenha muito cuidado ao mergulhar abaixo da pele sobre o ângulo da agulha. É fácil inadvertidamente obter uma injeção de almofada de gordura esfaqueando no ângulo errado. |
| Injeção de almofada de gordura (Fig. 2) | Inchado ao redor do mamilo e, possivelmente, no próprio mamilo – mais fácil de ver se a cor é adicionada à solução injetável | Se o mamilo estiver inchando com os primeiros ul injetados, remova a agulha e tente inserir novamente com mais cuidado com o ângulo. Comece a injeção novamente e observe se há mais inchaço. Se o inchaço continuar, abandone a tentativa. É muito raro injetar com sucesso um mamilo que começou como uma injeção de almofada de gordura. |
| Feridas/crostas | Ferida aberta ou crosta perto do local de injeção da solução de EtOH | Os ratos são mais propensos do que os ratos a desenvolver feridas ou crostas perto da área de injeção. Se forem encontradas feridas, aplique pomada antibiótica tripla em feridas abertas, mas deixe as feridas crostas sozinhas. A aplicação de pomada em crostas pode aumentar a probabilidade de o animal incomodar a crosta e removê-la. Verifique a cada 1-2 dias até cicatrizar, dependendo da gravidade da ferida. O carprofeno deve ser administrado até que esteja curado, mesmo que além da janela normal. |
| Injetar glândulas alternadas | N/A | Maiores volumes de injeção em ratos tornam mais provável causar abrasões na pele se injetar glândulas consecutivas. Para a menor probabilidade de trauma na área de injeção, glândulas alternativas injetadas dentro de uma única sessão (ou seja, injetar # 1, 3, 4 e 6 em vez de # 1-4). O espaçamento entre o terceiro (#3 e #9) e quarto (#4 e #10) pares de glândulas permite a injeção de ambas as glândulas em uma sessão. |
Tabela 1: Dicas úteis e solução de problemas
Os autores não têm nada a revelar.
Um procedimento para a entrega de uma solução química ablativa à árvore ductal mamária de ratos para tratamento preventivo guiado por imagem do câncer de mama é descrito. As células epiteliais mamárias podem ser alvo de dano tecidual colateral mínimo por meio de canulação diretamente na abertura do mamilo e infusão intraductal de uma solução ablativa à base de etanol a 70%.
Este trabalho foi apoiado, em parte, pelas subvenções do Instituto Nacional do Cancro R21 CA226579 e R01 CA258314 ao LFS e pela subvenção do Instituto Nacional de Imagem Biomédica e Bioengenharia R01 EB029418 à EMS. Somos gratos ao MSU Institute for Quantitative (IQ) Health Science and Engineering Imaging Core pela utilização dos seus sistemas de imagiologia e conhecimentos técnicos. Agradecemos à Dra. Danielle Ferguson por revisar o conteúdo do vídeo e os números para a adesão às diretrizes de bem-estar animal.
| AnalyzeDirect v12.0 | Caliper | n/a | Para processamento de imagem micro-CT |
| Carprieve, Carprofen 50 mg/mL | Allivet | 50647 | Para tratamento anti-inflamatório |
| Ethyl cellulose | Acros Organics | 9004-57-3 | Para injeção intraductal |
| Evans blue | Sigma | E2129-50G | Para visualização de injeção |
| Água quente banho | Toolots | Yidu_HH-S2 | Para preparar copos de carprofeno |
| MediGel Sucralose Cups | ClearH2O | 74-02-5022 | Para entrega de carprofeno |
| Modelo 1750 TTL, Seringa de PTFE Luer Lock, 500μ L | Hamilton | 81220 | Para injeção intraductal |
| Photoshop 2021 | Adobe | n/a | Para processamento de imagem |
| Quantum GX2 microCT Imaging System | Perkin Elmer | CLS149276 | Para aquisição de imagem micro-CT |
| Agulha de Metal Hub, calibre 33, personalizada (ângulo de bisel de 30°, 0.4 in, estilo de ponta 4) | Hamilton | 7747-01 | Para injeção intraductal |
| Microscópio Estéreo Série SZM AmScope | SM-4TPZ-144 | Para injeção intraductal | |
| Corante alimentar azul estéril | McCormick | 930641 | Para visualização |
| de injeçãoSolução salina tamponada com fosfato estéril (PBS) | ThermoFisher | 14190250 | Para preparação |
| de solução Adesivos | DOT Scientific | DOTSCI-C50 | Para preparar copos de carprofeno |
| Sacarose | Calbiochem | 8550-5KG | Para injeção intraductal |
| Seringas | Fisher | 14-826-79 | Para preparar copos de carprofeno |
| Vortex | VWR | 10153-834 | Para preparar copos de carprofeno |
| Bomba/almofada(s) de aquecimentoBraintree | Scientific | HTP-1500 120V; AP-R 26E | Para injeção intraductal/preparação pré-operatória |