Summary
אנו מציגים גישה חדשנית לכמת לוקליזציה nanoparticle ב vasculature של גידולים xenografted אנושי באמצעות דינמי, בזמן אמת הדמיה intravital במודל העובר העופות.
Abstract
טכנולוגיות הדמיה נוכחית הגידול, כגון אולטראסאונד, MRI, PET ו-CT, אינם מסוגלים להניב תמונות ברזולוציה גבוהה להערכת ספיגת nanoparticle בגידולים ברמה המיקרוסקופית 1,2,3, המדגיש את התועלת של מודל xenograft מתאים שבו לבצע ניתוחים ספיגת מפורט. כאן, אנו משתמשים ברזולוציה גבוהה הדמיה intravital להעריך ספיגת nanoparticle ב xenografts סרטניים אנושיים במודל שונה, העובר פגז פחות עוף. המודל עובר העוף במיוחד היטב מתאים אלה מנתח vivo משום שהוא תומך צמיחה של גידולים אנושיים, הוא זול יחסית ואינו דורש הרדמה או ניתוח 4,5. תאים סרטניים בצורה מלאה xenografts vascularized בתוך 7 ימים, כאשר מושתלים לתוך קרום chorioallantoic (רמ"א) 6. גידולים וכתוצאה מכך הם דמיינו ידי הדמיה לא פולשנית בזמן אמת, ברזולוציה גבוהה אשר יכול להישמר לתקופה של עד 72 שעות עם מעט השפעה על המארח או מערכות גידול. חלקיקים עם מגוון רחב של גדלים ניסוחים מנוהל דיסטלי אל הגידול ניתן דמיינו לכמת כמו זרימת הם דרך מחזור הדם, extravasate מ vasculature הגידול דולפים, ולצבור באתר הגידול. אנו מתארים כאן את הניתוח של חלקיקים שמקורם וירוס פסיפס Cowpea (CPMV) מעוטרת קרוב אינפרא אדום צבעי ניאון ו / או פולימרים פוליאתילן גליקול (PEG) 7, 8, 9,10,11. עם עירוי לוריד, חלקיקים אלה הם הפנימו במהירות ויראלי ידי לתאי אנדותל, וכתוצאה מכך תיוג גלובלית של vasculature הן מחוץ ובתוך 7,12 הגידול. PEGylation של חלקיקים נגיפיים מגביר פלזמה שלהם זמן מחצית החיים, מרחיב את זמנם במחזור הדם, ובסופו של דבר משפר את הצטברות שלהם בגידולים באמצעות חדירות משופרת (EPR) אצירת אפקט 7, 10,11. השיעור וההיקף של הצטברות של חלקיקים הגידול נמדד לאורך זמן באמצעות תוכנת ניתוח התמונה. טכניקה זו מספקת שיטה הן לחזות ולכמת הדינמיקה nanoparticle בגידולים אנושיים.
Protocol
1. הרכבה של הגידול לתוך CAM העובר העופות
- הכן פגז פחות עוברי תרנגולת מופרית כפי שתואר 8.
- ביום 9 של ההתפתחות העוברית, להרכיב מיקרו הזרקה באמצעות מחט 18-מד מחובר על מזרק 1 מ"ל. לחתוך 5-6 ס"מ חתיכת צינור Tygon (1 / 32 "קוטר פנימי, 3 / 32" קוטר חיצוני, 1 / 32 "עובי דופן) בזהירות להכניס שפוע של מחט לתוך צינורות. כ 4-5 ס"מ של צינורות צריך להאריך מקצה המחט (איור 1 א).
- מלאו את המזרק צינורות עם ההשעיה התא. לאחר מכן, הכנס מחט זכוכית microinjection בסוף בצינור ובזהירות להסיר בועות אוויר.
- הזרק יום 9 עוברי (איור 1b) תחת בהיקף דיסקציה עם המאייר עם 10,000-100,000 תאים סרטניים כמו בולוס בתוך CAM (איור 1 ג'). לאט לאט ובזהירות להזריק תאים להבטיח כי המחט נמצאת במקום הנכון עבור התאים לצורה בולוס גלוי בתוך CAM. תאים לטפטף על פני השטח CAM ניתן לנקות באמצעות המוליך Kimwipe או אחר.
- חזור אל העוברים באינקובטור humidified ב 38 ° C לחות על 60% ולאפשר הגידול לגדול vascularize (עד 7 ימים).
2. הכנה של חלקיקים
- כדי להכין שכותרתו fluorescently חלקיקים CPMV עבור הזרקה לתוך העובר עוף; לדלל את חלקיקים נגיפיים (מסונתז כמו 8 ב-PBS, pH 7.4, ריכוז של 100 מיקרוגרם תערובת / ml וורטקס היטב לפני השימוש ו צנטריפוגות במשך דקה אחת כדי להסיר. אגרגטים. Sonication יכול להיות גם שימושי, תלוי conjugates ומידת צבירה. מניות של CPMVs שכותרתו fluorescently יציבים במשך שנה לפחות 1 כאשר מאוחסנים 4 ° C בחושך. בדוק מניות מעת לעת על ידי הצבת כמה טיפות לשקופית זכוכית בדיקת הקרינה. במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) יכול לשמש גם כדי לקבוע אם חלקיקים נותרו על כנן לאחר הצמידה.
- בקצרה, אחד מיקרוגרם של חלקיקים נגיפיים (נפח סופי של μl 2) ניתן להוסיף רשתות נחושת מצופה. לאחר מכן, הוסף נפח שווה של אצטט uranyl 2% למשך דקה 1 על מיקרוסקופ אלקטרונים (פיליפס EM 410).
3. הזרקה תוך ורידי של חלקיקים נגיפיים fluorescently שכותרתו
- ביום 16, להרכיב מיקרו ההזרקה כפי שתואר לעיל. צייר את העוצמה הרצויה של nanoparticle ויראלית דרך צינורות לתוך המזרק (> 200 μL). בזהירות להסיר את כל בועות האוויר. הכנס זכוכית מחט microinjection בסוף הצינור. ודא כי המחט היא עוד והצרות ככל האפשר (איור 2 א). אם המחט היא בוטה מדי, הוא לא יוכל לחדור מבעד האאקטודרם ו ייכשל לחדור אל הספינה. אם המחט היא חדה מדי, טיפ תקרוס כאשר חודר לרקמות.
- להזריק לווריד 100 μl של 1 מ"ג / מ"ל והעמסת dextran (MW 70,000 דא, Invitrogen) לתוך העובר הנושאת גידול דיסטלי מאתר הרצוי להיות דמיינו (איור 3d). Cannulation מוצלח של וריד CAM ניכר ידי ניקוי הדם בנתיב הזרימה הזרקה (איור 2b). הערכת כלי דם דליפה 1 שעה לאחר ההזרקה.
- להזריק לווריד 50 μl של 1 מ"ג / מ"ל פתרון של CPMV-Alexa פלואוריד 647 (CPMV AF-647) או PEGylated CPMV-Alexa פלואוריד 647 (CPMV-PEG-AF 647) לעוברי המכיל גידולים עם כלי דם דליפה דיסטלי מהאתר הרצוי להיות דמיינו.
- תמונה גידולים מיד וכל שעה לאחר ההזרקה באמצעות בוחן Zeiss Z1 מיקרוסקופ זקוף מצויד בדיסק Yokogawa ספינינג, Hamamatsu ImagEM 9100-12 EM-CCD המצלמה.
4. בזמן אמת הדמיה intravital
- כדי להרכיב את יחידת ההדמיה העובר, למרוח שכבה דקה של שומן ואקום סביב היקף של הנמל הדמיה על החלק התחתון של המכסה של יחידת ההדמיה העובר, ובכושר 18 מ"מ זכוכית coverslip על הנמל.
- מקם את העובר כך coverslip יכסה את האזור הרצוי עבור הדמיה. לאט לאט להוריד את המכסה עד coverslip רק יוצר קשר עם העובר, ולאחר מכן להבריג את המכסה על היחידה כדי להחזיקו במקום (איור 2 ג).
- מוסיפים מים מחוממת 37 מעלות צלזיוס ליחידה העובר הדמיה מחוץ מאכל המכיל את העובר, ולאחר מכן למקם את היחידה כולה על הבמה של מיקרוסקופ confocal זקוף עם תא סביבתיים בתוך equilibrated עד 37 ° C.
- מיקום הדמיה היחידה המכילה את העובר תחת מיקרוסקופ פלואורסצנטי ספינינג דיסק confocal (2e איור). יחידת הדמיה תחזיק את העובר במקום לשמור את שדה הראיה קבוע בעת לכידת תמונות, המאפשרת גם תלת מימדי ערימות Z ו - זמן לשגות תמונות כדי ליפול בפח. אנו לרכוש ולנתח תלת ממדי זמן לשגות תמונות באמצעות פרקין אלמר של (לשעבר אימפרוביזציה) Volocity חבילת תוכנה (איור 3a). לרכוש ברזולוציה גבוהה תלת ממדי ערימה של הגידול ואת כלי הדם שמסביב לדמיין detaileד מנתח מבניים בזמן נקודות ספציפיות. רוכשת תלת ממדי ערימות בזמן נקודות קבוע למפות השינויים המבניים המפורטים בכלי הדם של הגידול. גידולים תמונה כל שעה לאחר ההזרקה.
- לכמת את ספיגת של חלקיקים נגיפיים על ידי חישוב ממוצע אלקסה פלואוריד (AF) 647 אות בתוך אזורים נבחרים הגידול או את התוכנה stroma (שאינם סרטניים באזור) באמצעות תמונה quantitation כגון Volocity (פרקין אלמר). הגידול יחס stroma היה מחושב על ידי חלוקת אומר AF 647 אות בגידול מעל האות כלומר 647 AF ב stroma. יחס הגידול / stroma גבוה יותר מאשר 1 מציין כי nanoparticle הוא נלקח על ידי הגידול.
5. נציג התוצאות:
בדוגמה המתוארת כאן, אנו מזריקים HT-29 בתאי סרטן המעי הגס כדי ליצור בולוס כ 1mm בגודל בתוך CAM של 9 יום עוברי תרנגולת (איור 1b). לאחר חיסון, העוברים היו בתרבית למשך 7 ימים בתוך חממה humidified להתיר הגידול כלי דם מספקת (איור 1 ג'). עוברים היו מוזרק לווריד עם משקל מולקולרי נמוך dextran לאשר כלי דם סרטניים, גידולים היו דמיינו תחת מיקרוסקופ AxioExaminer Z1 Zeiss זקופה (איור 2).
לאחר עירוי לוריד של CPMV AF-647 או CPMV-PEG-AF 647 חלקיקים (איור 3 א ו - ב), ברזולוציה גבוהה חשף בזמן אמת confocal הדמיה (2e איור) כי הן CPMV CPMV ו-PEG חלקיקים שכותרתו במהירות vasculature כולו, אבל את ספיגת של CPMV-PEG על ידי הגידול היה כ 3 פעמים גבוה יותר מאשר CPMV לאחר 12 שעות (איור 3 א). ספיגת הגידול היחסי של חלקיקים נקבע באמצעות ניתוח התמונה תוכנה (Volocity מן פרקין אלמר). אזורים של עניין נבחרו ומחוצה הגידול (בתא סטרומה) ואת עוצמת הקרינה הממוצע של כל אחד נקבע. נתונים מבוטא יחס הגידול / stroma.
באיור 1. Microinjection של גידולים תוך CAM של העובר העופות. (א) מנגנון microinjection מורכב מן הרכיבים כפי שצוין. (ב) עוברי העופות ביום 9 מוכנים להיות מחוסן עם הגידול כאשר CAM התפשט לכסות את כל פני השטח. (ג) בשעה 16 יום, הגידול יהיה גדלו עד 1 ס"מ קוטר (קו מקווקו) והוא מוכן להזרקה עם חלקיקים.
איור 2. הזרקה Nanoparticle הדמיה intravital. הזרקה תחת מיקרוסקופ לנתיחה מראה (א) את קצה המחט microinjector מוכן להיות מוזרק לווריד CAM ו (ב) את המחט microinjector המוחדרת לווריד (מסומן בחץ) חלקיקים מוזרק זרימת הדם (ראו ידי ניקוי של דם). (ג) העובר המכיל יחידת דימות עם העופות coverslip interfaced ישירות עם רמ"א. (ד) לפני הזרקת nanoparticle, כלי הדם הגידול הוערכה באמצעות הדמיה intravital לאחר ההזרקה של והעמסת dextran. (ה) יחידת ההדמיה העובר המכיל את מיקומו על הבמה של מיקרוסקופ confocal זקוף בתוך קבוצת בטמפרטורה מוסדר המתחם עד 37 ° C.
איור 3. להדמיה Intravital של ספיגת nanoparticle בגידולים אנושיים. גידולים הם דמיינו 7 שעות לאחר ההזרקה של (א) CPMV-AF647 ו (ב) CPMV-PEG-AF647. ד) כריתה של הגידול מעובר העופות לניתוח שלאחר מכן.
Discussion
קרום chorioallantoic (רמ"א) של העובר העופות הוא מודל שימושי כדי להעריך את הדינמיקה של כלי הדם והפרמקוקינטיקה של גידולים אנושיים. המבנה והמיקום של CAM מאפשרת רכישת תמונה באיכות גבוהה מתאים של סוגים רבים של סרטן xenografts ללא ניתוחים פולשניים. יתר על כן, הגידול xenografts סרטן מושתלים לתוך קרום chorioallantoic להיות vascularized בתוך 7 ימים, המציע מהיר, אמצעי זול למחצה תפוקה גבוהה כדי להעריך את הצטברות של חלקיקים רקמת הגידול. מאז xenografts סרטן מושתל CAM של פגז פחות עוברי תרנגולת נגישים ברזולוציה גבוהה אופטיקה של מיקרוסקופ epifluorescence או confocal זקוף, מידע הקשרי ובזמן לגבי ספיגת nanoparticle ב vasculature הגידול ניתן להשיג בקלות. Xenografts סרטן במודל זה נוטים לגדול רוחבית לאורך CAM, וכתוצאה מכך גידולים גדולים תוך שמירה על פחות מ -200 מ 'עומק. זה עושה להם טוב במיוחד מתאים הדמיה intravital כי מיקרוסקופים epifluorescence רגיל יכול למעשה לחדור את המסה הגידול כולו. לעומת זאת, גידולים מושתל או אתרי שטחית או orthotopic בתוך העכבר להתרבות בשלושה ממדים, ולכן קשה למקם במדויק חלקיקים עמוק בתוך גידולים אלו על ידי טכניקות פולשנית. אנחנו צריכים לנצל את המודל הזה כדי להעריך את ספיגת הנקודות, ליפוזומים הקוונטים, תחמוצת ברזל חלקיקים במספר xenografts הגידול האנושי, המדגיש את פוטנציאל עבור דגם זה להיות מתאים לניתוח vivo של מגוון רחב של ניסוחים nanoparticle.
Disclosures
אין ניגודי אינטרסים הכריז.
Acknowledgments
מחקר זה נתמך על ידי CCSRI גרנט # 700537 ו CIHR גרנט # 84535 כדי JDL NIH ו / NCI מענק # CA120711 ו-01A1-01A1 CA120711 ל AZ. כל הניסויים בוצעו בהתאם לתקנות והנחיות טיפול בבעלי חיים מוסדיים השתמש ועדת באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו, טיפול בבעלי חיים ושימוש באוניברסיטת מערב אונטריו.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Fertilized leghorn eggs | Frey`s Hatchery, St. Jacobs | N/A | |
| Dremel rotary tool | Dremel | Can used any model | |
| Dremel cutoff wheels no. 36 | Dremel | 409 | |
| Sportsman hatcher | Berry Hill | 1550HA | |
| Sportsman incubator | Berry Hill | 1502EA | |
| Ethanol | 70% (vol/vol) | ||
| Polystyrene weigh boats | VWR international | 12577-01 | |
| Square Petri dishes | Simport | 25378-115 | |
| Rubbermaid rubber container with lid | Guillevin | RH3-228-00-BLU | holes drilled into sides |
| Vertical pipette puller | David Kopf Instruments | model 720 | Settings: 16.3 (heater) and 2.3 (solenoid) |
Sodium borosilicate glass capillary tubes |
Sutter Instrument Co. | BF100-58-10 | (OD, 1.0 mm; ID 0.58 mm; 10-cm length) |
| 1X Dulbecco’s Modified Eagle Medium (DMEM) | Invitrogen | 11995073 | |
| Dulbecco’s | Invitrogen | 14190250 | pH 7.4 |
| Phosphate-Buffered Saline (D-PBS) (1X), liquid | |||
| Trypsin, 0.05% (1X) with EDTA 4Na, liquid | Invitrogen | 25300054 | |
| Fetal Bovine Serum | Invitrogen | 12483-020 | Heat inactivate |
| Hemocytometer | Hausser Scientific | 15170-090 | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5811 000.010 | |
| Fine-point forceps | VWR international | 25607-856 | |
| Tygon R-3603 tubing | VWR international | 63009-983 | 50 ft (1/32-inch inner diameter, 3/32-inch outer diameter, 1/32-inch wall thickness |
| Hypodermic needles for injections 18-gauge needles | BD Biosciences | 305195 | Box of 100 |
| 1 ml syringes for injections | BD Biosciences | 309602 | Box of 100 |
| Fiber-optic microscope illuminator | Amscope | HL250-AY | 150W |
| kimwipes | VWR international | 10805-905 | |
| V. unguiculata seeds (California black-eye no. 5) | Burpee | 51771A | |
| Indoor growth lights | SunLite, Gardener’s Supply | ||
| Methyl-PEO4-NHS ester | Pierce, Thermo Scientific | PI22341 | |
| mPEG-NHS, PEG succinimidyl ester, MW 2000 | NANOCS | PEG1-0002 | |
| Alexa Fluor 647 carboxylic acid (succinimidyl ester) | Invitrogen | A20006 | |
| Oregon Green 488 succinimidyl ester * 6-isomer * | Invitrogen | O-6149 | |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D8418 | |
| Dibasic monohydrogen phosphate | Sigma-Aldrich | 379980 | K2HPO4 (for phopshate buffer) |
| Monobasic dihydrogen phosphate | P5655 | KH2PO4 (for phopshate buffer) | |
| Superose 6 size-exclusion column | GE Healthcare | 17-0673-01 | |
| ÄKTA Explorer 100 Chromatograph | GE Healthcare | WS-AKTA100 | |
| ÄKTA high flow kit | GE Healthcare | 18-1154-85 | |
| Sucrose | Sigma-Aldrich | S0389 | |
| Ultracentrifuge | Beckman Coulter Inc. | ||
| SW 28 Ti rotor | Beckman Coulter Inc. | 342204 | Swing bucket |
| 50.2 Ti rotor | Beckman Coulter Inc. | 337901 | Fixed angle |
| Amicon Ultra-15 Centrifugal Filter Units | EMD Millipore | UFC910008 | 100 kDa cut off |
| Gradient former | Bio-Rad | ||
| dextran, fluorescein, 70,000 MW, anionic | Invitrogen | D1823 | |
| Spinning disk confocal fluorescence microscope | Quorum Technologies | N/A | |
| Epifluorescence wide-field microscope | Quorum; Zeiss Axio Examiner, Zeiss | N/A | |
| Hamamatsu ImagEM 9100-12 EM-CCD camera | Quorum; Hamamatsu | N/A | |
| Temperature enclosure unit for microscope | Precision Plastics | N/A | |
| Vacuum grease | VWR international | 59344-055 | |
| Circular glass coverslips no. 1 (18 mm) | VWR international | 16004-300 | |
| Volocity software | PerkinElmer, Inc. | ||
| Chick embryo enclosure | custom fabricated | ||
| Delicate scissors | VWR international | 25608-203 | |
| Formalin | BioShop Canada | FOR201.500 | Use in fumehood |
| Optimal Cutting | Fisher Scientific | 1437365 | |
| Temperature (OCT) | |||
| Plastic moulds | Fisher Scientific | 22-038217 | |
| VWR VistaVision HistoBond Adhesive Slides | VWR international | 16004-406 | |
| Prolong gold with DAPI | Invitrogen | P36931 | |
| Disposable blades for cryostat | Fisher Scientific | 12-634-2 | |
| Cryostat | Leica Microsystems | 14047033518 |
References
- Halin, C., Mora, J. R., Sumen, C., von Andrian, U. H. In vivo imaging of lymphocyte trafficking. Annu Rev Cell Dev Biol. 21, 581-603 (2005).
- Judenhofer, M. S. Simultaneous PET-MRI: a new approach for functional and morphological imaging. Nat Med. 14, 459-465 (2008).
- Weissleder, R., Pittet, M. J. Imaging in the era of molecular oncology. Nature. 452, 580-589 (2008).
- Chambers, A. F., Ling, V. Selection for experimental metastatic ability of heterologous tumor cells in the chick embryo after DNA-mediated transfer. Cancer Res. 44, 3970-3975 (1984).
- Cretu, A., Fotos, J. S., Little, B. W., Galileo, D. S. Human and rat glioma growth, invasion, and vascularization in a novel chick embryo brain tumor model. Clin Exp Metastasis. 22, 225-236 (2005).
- Zijlstra, A., Lewis, J., Degryse, B., Stuhlmann, H., Quigley, J. P. The inhibition of tumor cell intravasation and subsequent metastasis via regulation of in vivo tumor cell motility by the tetraspanin CD151. Cancer cell. 13, 221-234 (2008).
- Lewis, J. D. Viral nanoparticles as tools for intravital vascular imaging. Nature medicine. 12, 354-360 (2006).
- Leong, H. S. Intravital imaging of embryonic and tumor neovasculature using viral nanoparticles. Nature protocols. 5, 1406-1417 (2010).
- Chatterji, A. New addresses on an addressable virus nanoblock; uniquely reactive Lys residues on cowpea mosaic virus. Chemistry & biology. 11, 855-863 (2004).
- Brunel, F. M. Hydrazone ligation strategy to assemble multifunctional viral nanoparticles for cell imaging and tumor targeting. Nano letters. 10, 1093-1097 (2010).
- Steinmetz, N. F., Manchester, M. PEGylated viral nanoparticles for biomedicine: the impact of PEG chain length on VNP cell interactions in vitro and ex vivo. Biomacromolecules. 10, 784-792 (2009).
- Steinmetz, N. F., Cho, C. F., Ablack, A., Lewis, J. D., Manchester, M. CPMV nanoparticles target surface vimentin on cancer cells. Nanomedicine. , Forthcoming (2010).
