Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Динамическая контрастность Улучшенная Магнитно-резонансная томография модели Ортотопическая Рак поджелудочной железы мыши

15K просмотров

DOI:

10.3791/52641

18 апреля 2015 г.

В этой статье

Краткое содержание

Целью этого протокола является применение динамической магнитно-резонансной томографии с усилением контраста (DCE-MRI) для ортотопических ксенотрансплантатов опухоли поджелудочной железы у мышей. DCE-MRI является неинвазивным методом анализа микроциркуляторного русла в целевой ткани и полезен для оценки сосудистого ответа в опухоли после новой терапии.

Аннотация

Динамическая магнитно-резонансная томография с контрастным усилением (DCE-MRI) была ограничена для ортотопических ксенотрансплантатов опухолей поджелудочной железы из-за серьезного артефакта дыхательных движений в области брюшной полости. Модели ортотопических опухолей имеют преимущества перед подкожными, поскольку они могут отражать микроокружение первичной опухоли, влияющее на кровоснабжение, неоваскуляризацию и инвазию опухолевых клеток. Недавно мы разработали протокол ДКЭ-МРТ ортотопических ксенотрансплантатов опухоли поджелудочной железы на мышиных моделях путем закрепления опухолей ортогонально изогнутой пластиковой платой для предотвращения переноса движения из области грудной клетки во время визуализации. Давление со стороны этой доски было локализовано в области живота и не приводило к затруднению дыхания животных. В данной статье подробно описана методика моделирования ортотопической опухоли поджелудочной железы с использованием мелких животных и ДКЭ-МРТ опухолевых ксенотрансплантатов. Также представлен метод количественной оценки фармакокинетических параметров при ДКЭ-МРТ. Процедура, описанная в этой статье, поможет исследователям применять DCE-МРТ на моделях мышей с ортотопическим раком желудочно-кишечного тракта.

Введение

Основная цель данного метода состоит в применении динамической контрастности повышается магнитно-резонансную томографию (DCE-MRI) для ортотопических поджелудочной железы ксенотрансплантатов опухоли у мышей. АКД-МРТ является неинвазивным методом оценки микроциркуляторного русла в ткани-мишени путем мониторинга изменения МР контрастных в течение определенного периода времени после инъекции. DCE-MRI была использована для диагностики злокачественных опухолей и для оценки ответа опухоли на различные виды терапии 1-4. Количественный DCE-MRI представил высокую воспроизводимость 5. Для количественной оценки фармакокинетических параметров с МР контрастного агента в ткани-мишени, все изображения АКД-MR, полученные в различные моменты времени и отображение T1, полученных перед инъекцией контрастного необходимо coregistered 6. Тем не менее, из-за респираторных и перистальтических движений в области живота, количественный АКД-МРТ имеет ограниченное применение для желудочно-кишечного тракта опухолей.

Ортотопической модели опухоли поджелудочной железы были использованы для оценкиответ поджелудочной железы, опухоль после биологической терапии и химиотерапии 7,8. Ортотопической модели опухоли рассматриваются превосходит обычные подкожные моделей, поскольку микроокружение в исходной опухоли отражается и, таким образом, ответ опухоли человека на терапию можно более точно предсказать. Тем не менее, поджелудочной железы мыши находится в левом верхнем квадранте брюшной полости, так что количественное АКД-МРТ ортотопической ксенотрансплантатов опухоли поджелудочной железы у мышей не было легко реализованы.

Мы создали протокол DCE-МРТ брюшной опухолей у мышей, фиксируя опухоли с использованием ортогонально изогнутую пластиковые доски, чтобы предотвратить передачу движения от области груди 9. Применяется форумом давление локализуется на брюшной области, и не привело к дыхательной сложности. Автоматизированная методика изображение Корегистрация была утверждена для DCE-МРТ органов брюшной полости в режиме свободного дыхания, но он выполняет effectivelу только тогда, когда целевые регионы двигаться медленно и регулярно 10. Частота дыхания животных является переменной во время съемки, так физические ограничения в области живота необходимо будет получить надежные фармакокинетические параметры в ортотопических поджелудочной железы мышиных моделях опухолей. Мы успешно количественно фармакокинетические параметры контрастного агента и краснухи в ортотопических поджелудочной железы ксенотрансплантатов опухоли с использованием ортогонально изогнутую пластиковую доску в DCE-MRI 11-13. Здесь мы представляем подробный порядок ортотопического поджелудочной моделирования опухоли, DCE-MRI опухолевых ксенотрансплантатов у мышей, и количественной оценки фармакокинетических параметров.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Все процедуры были одобрены уходу и использованию комитета Институциональная животных в университете штата Алабама в Бирмингеме.

Моделирование 1. Ортотопическая опухоли поджелудочной железы мыши

  1. Культура стандартные поджелудочной железы-клеточные линии человека в среде Игла в модификации Игла (DMEM) с добавлением 10% эмбриональной телячьей сыворотки. Поддержание всех культур при 37 ° С в увлажненной атмосфере с 5% CO 2.
  2. Используйте 8-10 недельных самок с тяжелым комбинированным иммунодефицитом мышей. Поместите клетки животных на 12 ч света и 12 ч темноты цикла при комнатной температуре (21 ± 2 ° C) и 60% влажности.
  3. Обезболить всех животных с использованием вентиляции с 2% изофлуран в смеси с кислородом (2 л / мин) в течение операции. Подтвердите глубину анестезии ног щепотку рефлекс. Место животных на грелку (37 ° C), чтобы поддерживать температуру тела. Применить ветеринарной глазной мази на глазах, чтобы предотвратить сухость в то время как под наркозом. И# 160;
  4. Удалить волосы в левом верхнем квадранте брюшной полости каждой мыши, и дать обезболивающее лекарство (carpofen, 5 мг / кг массы тела, подкожно) в этой области. Нанесите бетадин решение открытые участки кожи. Подготовка автоклавного хирургических инструментов.
  5. Сделать 1 см разрез в коже и брюшины с помощью IRIS прямые ножницы. Аккуратно удалить поджелудочную железу от живота с помощью хирургических пинцета.
  6. Вставка 28 G иглу на 0,5 мл инсулиновый шприц в хвосте поджелудочной железы, а затем медленно влить раствор 2500000 человека клеток рака поджелудочной железы в 30 мкл DMEM. Убедитесь, что маленький пузырь создается в головки поджелудочной железы раствором.
  7. Аккуратно поместите поджелудочную железу обратно в брюшную полость с помощью хирургических пинцета. Закрыть брюшины и кожи в 1 слой с 2 ​​прерывается 5-0 PROLENE швы, а затем прекратить наркоз. Не возвращать животное, которое перенес операцию на компании других животных, пока полностью выздоровел.60; Удалить швов на 7 ~ 10 дней после операции.
  8. Дайте еще одну дозу обезболивающего препарата (carpofen, 5 мг / кг массы тела, подкожно) на 24 ч после операции.
  9. Проверьте размер опухоли, пальпации области хирургии, используя два пальца. Опухоли, как правило, чувствуют себя более плотной и более ухабистой, чем окружающие ткани и органы. Обычно это занимает ~ 1 - 2 недель, чтобы начать чувствовать себя опухоль.
  10. Монитор животных ежедневно на признаки болезни. Когда животные появляются вредные (бездействие нормальные уход, и уклонения от поведения), мы прервем их с помощью шейки дислокации под наркозом.

2. Магнитно-резонансная томография

  1. Применить МРТ, когда размер опухоли составляет около 5 - обычно при 2 ~ 4 недель после клеточной имплантации 7 мм в диаметре. Используйте МР-томограф, посвященный маленькое животное изображений или клинической МР-томографа, оснащенного специализированным катушки для малого изображений животных.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Мы использовали 9.4T Small Animal МР-томограф с комбинацией 1 H объемного резонатора/ Передатчик и приемник поверхность катушки (30 мм в диаметре) (Bruker Corp. BioSpin, Billerica, MA). Поверхностная катушка, обеспечивает лучшую сигнал-шум (SNR) 14.
  2. Подготовка гадолиния на основе МРТ контрастное вещество чтобы придать ~ 0,1 - 0,2 ммоль / кг каждому животному в ~ 0,1 - 0,2 мл PBS (фосфатно-солевой буфер).
    Примечание: Мы использовали gadoteridol, и вводили 0,2 ммоль / кг в 0,15 мл PBS в течение 15 сек (0,1 мл / с).
  3. Подготовьте микро-Полиэтилен трубку (длина: 7,62 мм, внутренний диаметр: 0,28 мм, Внешний диаметр: 0.64 мм). Вставка 30 G иглу (12,7 мм длины) в один конец трубки, и 30 г тупым кончиком иглы (9,5 мм) длиной в другом конце. Подключите 1 мл шприц, содержащий МР контрастного агента, чтобы тупой конец иглы, и слегка надавите на шприц, чтобы заполнить всю трубу с МР контрастного агента.
  4. Обезболить животных с помощью вентиляции с ~ 1 - 2% изофлюрана в смеси с кислородом (2 л / мин) в течение подготовки и обработки изображений. Подтвердите глубину ANESThesia по схождение пинч рефлекса. Применить ветеринарной глазной мази на глазах, чтобы предотвратить сухость в то время как под наркозом. Разбавить в хвостовую вену с помощью тепла лампы перед введением иглы. Возьмите середины 30 G иглы, используя Келли щипцы, и вставьте его в хвостовую вену. Лента и хвост и трубки на кусок пластика или картона бумаги (10 мм ширина х длина 100 мм), чтобы держать хвост прямо.
  5. Место животное в положении лежа на спине в постели животных оборудованной с циркулирующим теплую воду (или теплый воздух), чтобы регулировать температуру тела во время съемки. Установите температуру на кровати до 37 ° C. Вставьте ректального датчика температуры для контроля температуры тела во время съемки.
  6. Применить ортогонально изогнутую пластиковую доску в области живота. Убедитесь, что опухоль находится за верхней части доски, а затем опустите доску незначительно (~ 2 мм), чтобы обеспечить опухоль поймали советом. Лента доску животного постели твердо.
  7. Лента с дыханием площадку преобразовыватьR (SA Инструмент, Inc., Стони Брук, штат Нью-Йорк) на область грудной клетки, чтобы контролировать дыхания животных во время съемки. Поместите поверхности катушки в верхней части области опухоли, и прикрепить ее к постели животных надежно. Нажмите кровати животных в МР-томографа, чтобы разместить область опухоли в центре объема катушки (внутренний диаметр: 72 мм).
  8. Выполните согласование и тюнинг приемника и передатчика, а затем прокладок.
  9. Начните с анатомической последовательности МР, чтобы найти опухоль. Используйте T2-взвешенных (T2W) Turbo спин-эхо последовательность, чтобы получить осевые изображения со следующими параметрами приобретения. Время повторения (TR) / Время эхо (TE) = 3000/34 мс, 128 х 128 матрицы, 30 х 30 мм поле зрения, число усреднений = 1, эхо длина поезда = 4 и 20 смежных толщиной 1 мм кусочки в режиме с чередованием, чтобы покрыть всю область опухоли (общее время сканирования: 1,6 мин).
    Примечание: С ортотопической опухоли поджелудочной железы труднее быть расположены, чем те, подкожных, обычные Все местныеЗер изображения с более низкое разрешение не может быть полезным.
  10. Приобретать Т1-взвешенные (T1W) изображения с различными флип углов для получения T1 карту. Для этого используйте градиент эхо multiflip угла подхода со следующими параметрами: Время повторения (TR) / Время эхо (TE) = 115/3 мс, 128 х 128 матрицы, а 30 х 30 мм поле зрения, количество средних = 4, ~ 5 - 7 смежных толщиной 1 мм срезов в режиме чересстрочной развёртки, чтобы покрыть область опухоли, и семь углов флип 10, 20, 30, 40, 50, 60 и 70 (общее время сканирования по углу оборотной: 1 мин).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Однако, multiflip угол подхода является эффективным только тогда, когда B1 однородность поля является высокой. Если нет, то T1 карты могут быть получены с несколькими TR подход вместо 15.
  11. Приобретать T1W изображения до и после гадолиния на основе введения MR контраста. Используйте те же параметры сбора данных и геометрию для отображения T1, но с фиксированным углом флип 30. использовать линейные кодирования для обеспечения устойчивого состояния, когда центр K-пространство получается, особенноecially, когда короткое TR и низкой степени угол флип используются. Приобретать 5 базовых изображения перед инъекцией контраста. Тогда приобрести 40 изображений после инъекции контрастного вещества (общее время сканирования: 45 мин). Использование шприца для введения контрастного вещества с постоянной скоростью (0,01 мл / с).
  12. Монитор животных дыхание постоянно, и отрегулируйте концентрацию ИФ сохранить частоту дыхания до 50 - 100 вдохов в минуту. Монитор животных температуру тела на протяжении изображений.
  13. После завершения DCE-MRI, снять иглу и другие зонды, и поместить животное в пустую клетку местная с бумажными полотенцами. Массаж мягко нижней части брюшной полости. Клетка должна быть помещена половину под тепловой лампой, чтобы позволить животному входить и выходить из теплового градиента, как он восстанавливает. Не оставляйте животное без присмотра, пока он не пришел в достаточной сознание поддерживать грудины лежачее положение.

3. Обработка изображений и анализ

  1. Опухолевые сегмента Еврейской автономной на в T2W изображений. В T2W изображений, интенсивность сигнала в области опухоли ярче, чем окружающие ткани, так что граница опухоли могут быть выделены вручную.
    Примечание: Полуавтоматические методы сегментации, такие как глобального порога или активного контура может быть использован 16,17, но интенсивность фона неравномерное должно быть исправлено в особенности при использовании поверхностной катушки.
  2. Создать T1 и плотность протонов карты. В T1W изображений, полученных с эхо последовательности градиента, предполагая, что эхо время (TE) намного меньше, чем T2 * стоимость, значение пиксела определяется
    figure-protocol-1
    где S 0 плотность протонов, T 1 является постоянной T 1 релаксации, TR является повторение время, и θ является угол флип. Уравнение (1) можно переписать в
    641eq2.jpg "/>
    когда S (θ) / sinθ заменяется Y, и S (θ) / tanθ заменяется X. Уравнение (2) представляет собой линейное уравнение, и его наклон и перехвата могут быть использованы для получения T1 и S 0 значения, соответственно.
  3. Рассчитать концентрацию контрастности и краснухи в DCE-МРТ. При гадолиния на основе МР контрастный агент вводят, Т постоянная времени релаксации 1 изменяется с течением времени. Таким образом, уравнение (1) можно переписать в
    figure-protocol-2
    T 1 (T) связана с г-ном концентрации контрастного, C (T), а именно,
    figure-protocol-3
    где R 1 является продольным релаксация МР контрастного агента. Таким образом, путем объединения уравнений (3) и (4), концентрация контраст МР определяется
    figure-protocol-4
  4. Количественной оценки фармакокинетических параметров МР контрастный агент. С р (Т) представляет концентрацию контрастности и краснухи в плазме крови в момент времени T после начала инъекции контраста. С р (Т) называется артериальной функция входа (AIF). Если AIF доступен, фармакокинетические параметры МР контрастного агента можно рассчитать путем
    figure-protocol-5
    где С т (т) является концентрация контраст MR в ткани-мишени, v р, является дробным объем плазмы крови, v е дробно внесосудистая объема внеклеточной жидкости и K Транс коэффициент передачи звука. Flux константа скорости, к ЕР, равна K Tranы делится на V E. Если AIF не доступен, то модель опорной области может быть использован вместо 18,19. Модель опорной области на основе потока ограниченной Kety модели 20 и использует концентрации контрастного в эталонной области, чтобы устранить необходимость в AIF, как следует,
    figure-protocol-6
    где С т, ROI (т), К транс, ROI и V е, ROI являются концентрации контраст, объем передачи постоянной и дробно-внесосудистая внеклеточного объема, соответственно, в области интереса (ROI), в то время как C T, RR (T), K транс, РР, и v е, RR являются те, в области сравнения. Паравертебральная мышцы часто выбирают в качестве опорного региона и л е, Р. Р. у мышей годовыхПредполагается, ravertebral мышцы неизменными на 0,08 21. Мы использовали модель опорной области.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Человеческие клетки опухоли поджелудочной железы успешно расти в поджелудочной железы мыши создание солидной опухоли. Рисунок 1 приведены фотографии (А) нормальные поджелудочной железы, где раствор опухолевых клеток вводят, и (В) представитель мыши подшипника ортотопической ксенотрансплантата опухоли поджелудочной железы (MIA PACA-2 ). Опухоль расположена в левом верхнем квадранте брюшной полости, рядом с селезенки. Обычно это занимает 2 - 4 недель опухоли расти до 5 - 7 мм в диаметре после клеточной им...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Мы ввели подробные методы ортотопического моделирования опухоли поджелудочной железы с помощью иммунодефицитных мышей, DCE-MRI опухолей брюшной полости у мышей и количественную оценку его кинетических параметров. В ортотопического поджелудочной моделирования опухоли, необходимо позаботиться, когда введение иглы в хвосте поджелудочной железы. В случае успеха, клетки будут переданы головки поджелудочной железы, создавая небольшой волдырь. При применении ортогонально изогнутую пластиковую доску, очень важно, чтобы подтверд...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют никаких конфликтов интересов, о которых они могли бы заявить.

Благодарности

Авторы благодарят Джеффри Селлерса за помощь в моделировании ортотопического рака поджелудочной железы у мышей. Эта работа была поддержана наградами Research Initiative Pilot Awards от отделения радиологии UAB и грантами NIH 2P30CA013148 и P50CA101955.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
DMEMInvitrogen11965-118
Фетальная бычья сывороткаHarlan LaboratoriesBT-9501
BetadinePurdue продукция67618-153-01
5-0 Проленовые швыEthicon8720H
9.4T МР-сканерBruker Biospin CorporationBioSpec 94/20 USR
GadoteridolBracco Diagnostics IncNDC 0270-1111-03
Микрополиэтиленовая трубкаStrategic Applications, Inc#PE-10-25
Игла с тупым наконечником 30 GStrategic Applications, Inc89134-194
Система мониторинга и стробированияSA instruments, IncМодель 1030Это совместимая с МРТ система для одновременного измерения рейтинга реанимации и температуры тела мелких животных.
Шприцевой насосNew Era Pump Systems, Inc.НЕ-1600

Ссылки

  1. Ergul, N., et al. Assessment of multifocality and axillary nodal involvement in early-stage breast cancer patients using 18F-FDG PET/CT compared to contrast-enhanced and diffusion-weighted magnetic resonance imaging and sentinel node biopsy. Acta Radiol. , (2014).
  2. Park, J. J., et al. Assessment of early response to concurrent chemoradiotherapy in cervical cancer: value of diffusion-weighted and dynamic contrast-enhanced MR imaging. Magn Reson Imaging. , (2014).
  3. Nguyen, H. T., et al. Prediction of chemotherapeutic response in bladder cancer using K-means clustering of dynamic contrast-enhanced (DCE)-MRI pharmacokinetic parameters. J Magn Reson Imaging. 10, (2014).
  4. Teo, Q. Q., Thng, C. H., Koh, T. S., Ng, Q. S. Dynamic Contrast-enhanced Magnetic Resonance Imaging: Applications in Oncology. Clin Oncol (R Coll Radiol). , (2014).
  5. Zhang, X., Pagel, M. D., Baker, A. F., Gillies, R. J. Reproducibility of magnetic resonance perfusion imaging. PLoS One. 9 (2), e89797(2014).
  6. Kim, H., et al. Pancreatic adenocarcinoma: a pilot study of quantitative perfusion and diffusion-weighted breath-hold magnetic resonance imaging. Abdominal imaging. , (2014).
  7. Derosier, L. C., et al. Combination Treatment with TRA-8 Anti Death Receptor 5 Antibody and CPT-11 Induces Tumor Regression in an Orthotopic Model of Pancreatic Cancer. Clin Cancer Res. 13 (18), 5535s-5543s (2007).
  8. Derosier, L. C., et al. TRA-8 anti-DR5 monoclonal antibody and gemcitabine induce apoptosis and inhibit radiologically validated orthotopic pancreatic tumor growth. Mol Cancer Ther. 6 (12), 3198-3207 (2007).
  9. Kim, H., et al. Early therapy evaluation of combined anti-death receptor 5 antibody and gemcitabine in orthotopic pancreatic tumor xenografts by diffusion-weighted magnetic resonance imaging. Cancer Res. 68 (20), 8369-8376 (2008).
  10. Klein, S., Staring, M., Murphy, K., Viergever, M. A., Pluim, J. P. elastix: a toolbox for intensity-based medical image registration. IEEE Trans Med Imaging. 29 (1), 196-205 (2010).
  11. Kim, H., et al. Early therapy evaluation of combined cetuximab and irinotecan in orthotopic pancreatic tumor xenografts by dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging. Mol Imaging. 10 (3), 153-167 (2011).
  12. Kim, H., et al. Antagonistic effects of anti-EMMPRIN antibody when combined with chemotherapy against hypovascular pancreatic cancers. M Mol Imaging Biol. 16 (1), 85-94 (2014).
  13. Kim, H., et al. Dual combination therapy targeting DR5 and EMMPRIN in pancreatic adenocarcinoma. Mol Cancer Ther. 11 (2), 405-415 (2012).
  14. Moyher, S. E., Vigneron, D. B., Nelson, S. J. Surface coil MR imaging of the human brain with an analytic reception profile correction. J Magn Reson Imaging. 5 (2), 139-144 (1995).
  15. Voigt, T., Nehrke, K., Doessel, O., Katscher, U. T1 corrected B1 mapping using multi-TR gradient echo sequences. Magn Reson Med. 64 (3), 725-733 (2010).
  16. Liu, H., Liu, Y., Zhao, Z., Zhang, L., Qiu, T. A new background distribution-based active contour model for three-dimensional lesion segmentation in breast DCE-MRI. Medical physics. 41 (8), 082303(2014).
  17. Sarkar, S., Das, S. Multilevel image thresholding based on 2D histogram and maximum Tsallis entropy--a differential evolution approach. IEEE Trans Image Process. 22 (12), 4788-4797 (2013).
  18. Yankeelov, T. E., et al. Quantitative pharmacokinetic analysis of DCE-MRI data without an arterial input function: a reference region model. Magn Reson Imaging. 23 (4), 519-529 (2005).
  19. Cardenas-Rodriguez, J., Howison, C. M., Pagel, M. D. A linear algorithm of the reference region model for DCE-MRI is robust and relaxes requirements for temporal resolution. Magn Reson Imaging. 31 (4), 497-507 (2013).
  20. Tofts, P. S., et al. Estimating kinetic parameters from dynamic contrast-enhanced T(1)-weighted MRI of a diffusable tracer: standardized quantities and symbols. J Magn Reson Imaging. 10 (3), 223-232 (1999).
  21. Yankeelov, T. E., et al. Comparison of a reference region model with direct measurement of an AIF in the analysis of DCE-MRI data. Magn Reson Med. 57 (2), 353-361 (2007).
  22. Cao, R. Y., Amand, T., Ford, M. D., Piomelli, U., Funk, C. D. The Murine Angiotensin II-Induced Abdominal Aortic Aneurysm Model: Rupture Risk and Inflammatory Progression Patterns. Front Pharmacol. 1 (9), (2010).
  23. Parker, G. J., et al. Experimentally-derived functional form for a population-averaged high-temporal-resolution arterial input function for dynamic contrast-enhanced MRI. Magn Reson Med. 56 (5), 993-1000 (2006).
  24. Tseng, W., Leong, X., Engleman, E. Orthotopic mouse model of colorectal cancer. J Vis Exp. (10), 484(2007).
  25. Bhullar, J. S., et al. A true orthotopic gastric cancer murine model using electrocoagulation. J Am Coll Surg. 217 (1), 64-70 (2013).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

DCE MRI