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Medicine

利用磁共振成像,容积电脑断层扫描及超音波的裸鼠乳腺癌骨转移大鼠模型血管生成的多模态成像

doi: 10.3791/4178 Published: August 14, 2012

Summary

在骨转移的发病机制,血管生成是一个关键的过程,因此代表了成像和治疗的目标。在这里,我们提出了一个特定地点的乳腺癌骨转移动物模型和描述战略,以非侵入性影像血管生成

Abstract

血管生成是肿瘤生长和转移形成的一个基本特征。在骨转移,血管生成因子在骨髓腔肿瘤和骨细胞,导致局部骨质破坏的互动以及对肿瘤细胞增殖的关键。我们的目标是开发一个模型实验骨转移,可以在体内的血管生成骨骼病变,使用非侵入性的成像技术评估。

为此目的,我们注入腹壁浅动脉,这就排除了1比各自的后腿的其他身体部位的生长转移中的10 5的MDA-MB-231人类乳腺癌细胞。站点特定的骨转移肿瘤细胞接种后25-30天之后,开发,限制股骨远端,近端胫骨和腓骨近端1。新生血管的形态和功能方面,可以在纵向研究骨元stases使用磁共振成像(MRI),体积计算机断层扫描(VCT),超声(美国)。

MRI显示软组织的一部分,最初仅限于骨髓腔和随后而进展超过骨皮质的骨转移的形态学信息。使用动态对比增强磁共振成像(包括区域的血液量,灌注和血管通透性的DCE-MRI)的功能数据,可以得到量化2-4。在高使用形态VCT的成像分辨率骨质破坏被捕获。 MRI检查的补充,溶骨性病变可位于毗邻髓内肿瘤的生长部位。 VCT的血管造影显示造影剂应用后,在高分辨率骨转移macrovessel架构,DCE的VCT使这些病灶微循环,5,6洞察力。美国是适用评估由于骨骼病变的形态和功能特点局部骨皮质溶骨。使用B型和多普勒技术,结构和软组织转移灌注可以评价,分别。 DCE的,我们允许实时成像血管骨转移后注射微泡7。

总之,转移的多模态成像技术,包括MRI,VCT和美国提出补充信息,这些骨骼病变新生血管的形态和功能参数,在特定地点的乳腺癌骨模型。

Protocol

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1。细胞培养

  1. 文化的MDA-MB-231人类乳腺癌细胞在RPMI-1640(美国菌种保藏中心)(Invitrogen公司,德国),10%胎牛血清(Sigma公司,德国)的补充。保留所有文化标准条件下(37℃,湿的气氛,5%CO 2),并通过每周2-3次,以使他们在对数生长期细胞。下文所述的动物模型,有没有必要使用骨特异性肿瘤起飞率是90%以上1 MDA-MB-231细胞株。
  2. 收获的分合流后用PBS-2 mM的EDTA的肿瘤细胞(磷酸盐缓冲生理盐水没有的Ca 2 +和Mg 2 +)和0.25%胰蛋白酶(Sigma公司,Taufkirchen的,德国)。在纽鲍尔的腔数的MDA-MB-231细胞,并暂停在RPMI-1640(5X10 5 1毫升细胞)。

2。骨转移裸鼠模型大鼠

  1. 所有的实验,通过负责任的政府阿尼玛升伦理委员会。
  2. 使用6-8周的年龄在裸鼠体内,并让他们在一个适当的小动物(如微型屏障系统)无病原体条件。保持在受控条件下的动物(21 + / - 2°C室温度,湿度60%,12小时光线暗的节奏),并提供的蒸压饲料和水随意老鼠。
  3. 动物手术前,注射的止痛药(如卡洛芬4毫克/千克SC;由于其单一的管理和半衰期短(约8小时),卡洛芬应该不会影响肿瘤的生长)。麻醉大鼠的氧气混合物(0.5升/分钟)和异氟醚(1-1.5第一卷。%),并确保正确大鼠麻醉和呼吸开始以下步骤之前,定期。
  4. 放置在一个适当的双目手术显微镜(如莱卡)麻醉动物,并与16倍的放大倍率。
  5. 手术开始削减在ingu皮肤及皮下组织inal地区在2-3厘米剪刀(BC060r虹膜剪刀108毫米)的长度。所有动脉,股动脉(FA)的分支有被解剖,包括腹壁浅动脉(SEA),膝降动脉(DGA),腘动脉(PA)和隐动脉(SA)。
  6. 放在DGA的海的起源以及股动脉近端片段,PA和SA暂时阻挡局部血流量。结扎其远端部分海无出血( 图1A)允许该船只开放。
  7. 削减海上使用剪刀(Vannas微沟槽中外合作办学的STR85毫米),近端结扎术( 图1B)和管理上SEA 1%papaverin溶液,以方便随后插入一根针,由于放宽船只( 图1C)。
  8. 削减约一半用剪刀海的直径和海腔插入一针(0.3毫米直径42毫米的长度),而holdi吴用钳( 图1D,E)的船只截止年底。可用时,固定在一个外部设备的针,以减少不规则的变动,可能会导致血管壁穿孔。连接注射器针头。删除从远端足协剪辑放在隐动脉( 图1F)。
  9. 注入的MDA-MB-231细胞悬浮于0.2毫升媒体缓缓入海。凭借剪辑MDA-MB-231细胞DGA和PA。取出的针和结扎起飞前动脉剪辑海,以防止出血。关闭伤口用外科手术的剪辑,并终止吸入麻醉。
  10. 为监控程序后,大鼠安乐死通常7-8周后,肿瘤细胞接种,以避免严重的骨骼并发症。在这段时间内,动物应每天监测评估肿瘤的大小和任何疼痛的证据(例如,行为偏差,减肥,电机缺陷)。如果动物肿瘤规模超过道德允许的限制或肿瘤生长过程中的疼痛的证据,他们不得不被实施安乐死。
  11. 用于人类的MDA-MB-231乳腺癌细胞异体移植免疫缺陷(裸体)大鼠。裸鼠体内没有选择,以更好地可视化的肿瘤生长。

3。磁共振成像(MRI)

  1. 肿瘤细胞接种后,使肿瘤生长约25-30天前开始的成像。为磁共振成像使用专用的实验扫描仪或用适当的动物线圈人类的磁共振系统。我们用人类的磁共振系统(交响乐团,德国西门子)和自制的射频激励和检测线圈,作为一个圆柱体,内径83毫米和120毫米( 图2A)的可用长度的谐振器设计。
  2. 与氧气和异氟醚上述麻醉大鼠。放置在尾静脉导管和修复它的尾巴上使用自来水 E。连接注射器造影剂(如0.1毫摩尔/公斤的Gd-DTPA在约0.5毫升;马根维显,拜耳先灵,德国)。
  3. 大鼠放置在致辞维持吸入麻醉系统。开始与形态议员序列中找到骨转移(如T2加权快速自旋回波序列,TR 3240毫秒,TE的81毫秒,矩阵152×256,视野90 x 2,53.4毫米层厚1.5毫米,3个平均数,扫描时间3:40分)。
  4. 确定骨转移的最大直径片和启动序列为DCE-MRI(如饱和恢复涡轮闪烁序列,TR 373毫秒,TE 1.86毫秒,矩阵192×144,视野130×97.5毫米2,层厚5 512毫米,测量,平均1,扫描时间6:55分)。约30秒后,开始注入造影剂超过了10秒的时间。上述程序进行MRI检查的总时间大约是15-20分钟,每头牲畜。
标题“> 4。容积电脑断层扫描(VCT)

  1. 选择一个合适的CT系统,无论是一个人或一个实验性的扫描仪。在这里,我们使用了一个体积计算机断层扫描( 图2B; CT,德国西门子,卷)配备了平板原型。
  2. 与氧气和异氟醚上述麻醉大鼠。放置在尾静脉导管和修复使用磁带的尾巴上。连接注射器造影剂(如1 g碘每公斤约0.5毫升; Imeron 400,Bracco,德国)。
  3. 放置在扫描仪下吸入麻醉大鼠。使用以下的VCT的扫描参数:管电压80千伏,管电流50毫安,扫描时间51秒,转速10秒,每秒120帧,矩阵512×512,层厚0.2毫米。在第二个旋转的平板系统注入造影剂。上述程序执行V​​CT的考试的总时间大约是5-10分钟,每ANIM等。
  4. 改良FDK公司(Feldkamp戴维斯克雷斯)锥束重建算法(内核H80A,空军雷达学院,德国)的重建图像。

5。超声(美国)

  1. 美国实验和临床系统可用于这一目的。我们用的临床系统ACUSON红杉512超声系统与15L8线性传感器( 图2C;西门子ACUSON,山景,加利福尼亚)。
  2. 与氧气和异氟醚上述麻醉大鼠。放置在尾静脉导管和修复使用磁带的尾巴上。连接注射器含有1微泡造影剂(如在约0.5毫升1.6毫升/公斤;诺维,Bracco,意大利)。美国传感器固定在各自的后腿使用三脚架的腿和申请美国之间的传感器和后腿的凝胶。
  3. 执行B模式成像(传输频率:17兆赫;机械指数:0.51),以确定骨转移的最大直径和传感器固定在T他的位置。添加多普勒组织灌注的信息,B型图像信号。请记住,只有病变破坏骨皮质访问美国波。
  4. 动态对比增强美国(DCE美)在节奏对比脉冲序列(CPS)的设置模式(传输频率:7兆赫;机械指数:0.18),美国设备注入微气泡和录制90秒长度的电影循环。上述程序执行美国考试的总时间大约是10-15分钟,每头牲畜。

6。影像数据的后处理

  1. 使用MRI,VCT和美国的形态信息特征的软组织肿瘤(MRI,美国)和骨转移的骨骼破坏(VCT),并确定位置,病灶大小和病变的体积与DICOM浏览器(如Osirix DICOM浏览器)。
  2. 以获取分枝格局的船只在骨转移瘤(血管造影),VCT的数据都可以使用。重新构造二维或三维图像信息的动脉相减法技术(如Osirix DICOM浏览器)带或不带。
  3. 以量化的DCE-MRI,DCE的VCT和DCE美的血管参数,使用的软件工具,具体方式。为DCE-MRI检查,确定与敦南实验室(Mevis研究,德国不莱梅)的基础上的骨转移的血管参数振幅A(血容量)和交换速率常数k EP(灌注和血管通透性)二室模型的糖度8,9。可替代的药代动力学模型评价,如Tofts模型10。
  4. 量化的DCE-VCT的数据,进行数据的描述性分析,计算曲线下面积(AUC)或峰值增强(PE)与:敦南实验室(Mevis研究,不来梅,德国)的参数,如面积。
  5. 实时的DCE-美量化信息,使用定量分析软件(如Qontras吨,Bracco,意大利)根据实施静注模型,通过分析电影循环。放置在骨转移的感兴趣区域(ROI),或从彩色编码图,如血容量区域,区域的血流量和充填时间曲线下的定量参数,确定或者描述的因素,如面积。

7。代表结果

动脉注射入海的MDA-MB-231细胞( 图1),特定地点的骨转移发展,在各自的裸大鼠的后腿。溶骨性病变局限于股骨,胫骨和腓骨可成像MRI,VCT和美国( 图2)非侵入性开始约25-30天注射后几个星期随访。当MRI,VCT和包括美国本土和对比增强技术相结合,互补信息可以评估软组织组成的骨转移肿瘤(肿瘤细胞和基质)和相应的溶骨性病变(骨质破坏)。所有三个成像技术之间各自的数据进行比较,可以依次使用相同的老鼠。磁共振成像显示,最初仅限于骨髓腔和其后的发展历程中超过骨皮质骨转移软组织形态。功能参数,如区域的血液量,灌注和血管通透性,可以得到的DCE-MRI和量化( 图3)。特别是在转移溶骨性改变的骨骼结构,并进行评估高分辨率VCT服务。溶骨性病变的MRI表现的补充,毗邻髓内肿瘤增长。 VCT的血管造影揭示了骨转移的改变macrovessel架构和DCE的VCT,显示各自的微循环方面的问题( 图4)。由于在metastati局部破坏骨皮质Ç病变,美国是适用于所使用的B型和多普勒技术评估软组织肿瘤的形态和功能特性。应用微泡后,DCE的美允许实时成像在骨转移瘤的血管( 图5)。

图1
图1。准备通过手术显微镜成像肿瘤细胞接种裸大鼠的后腿。分枝格局,股动脉(FA),包括腹壁浅动脉(SEA),膝降动脉(DGA),腘动脉(PA)和隐动脉(SA)。动脉剪辑放置在SA,PA和近端足总杯以及海结扎,B,海上被切断,结扎近端,C,海肌肉松弛后罂粟碱此外,海切口(采取了由研发, 1钳);海上针插入E,楼迷恋针在海(外部连接, xating通过海凭借剪辑到DGA和PA设备)的MDA-MB-231肿瘤细胞注射。

图2
图2,人类磁共振系统(交响乐团,德国西门子)和自制的放置在扫描仪的射频激励和检测线圈;,平板配备体积计算机断层扫描(体积CT,西门子,德国)B,C,临床超声系统ACUSON Sequioa 512(西门子ACUSON,山景,加利福尼亚州)。

图3
图3。轴向议员部分。左侧面板,T2W磁共振成像;中间面板,振幅A(DCE-MRI);右侧面板,交换速率常数k(EP的DCE-MRI)。箭头指向骨转移。彩色地图的DCE-MRI数据的范围从红色(高值)蓝(低值)。

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图4。溶骨性骨转移(左图)和血管造影(中间面板)以及VCT的参数强化峰值(右图)的部分在轴向方向的DCE-3D VCT的重建。 DCE-VCT的数据范围从红色(高值)蓝(低值)的彩色地图。

图5
图5。美国B型(形态,左侧面板),多普勒(灌注,中间面板)和超声造影(右侧面板,实时成像血管注射微泡后的峰值增强)骨转移的影像。

补充电影1。 点击这里查看补充电影

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Discussion

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诱导实验骨转移结合成像过程中提出的方法,使后续在裸鼠体内的溶骨性病变纵向。在我们的模型中的MDA-MB-231人乳腺癌细胞注射入海,这是一个通过的pudendoepigastric的躯干和股动脉髂总动脉之间的吻合。因此,提供地区到膝关节的血流量维持后结扎海。骨转移模型相比,这种模式的优点是骨转移的特定地点的外观相比腔内注射模型11和列入外渗肿瘤细胞迁移到目标组织的致病过程相比,胫骨注射模型12。此外,在这个模型中的一种全身肿瘤的负担,尤其是内脏传播,省略允许超过本身的纵向研究veral周,从而可以减少1,13所需的动物。

血管生成的作用是必不可少的过程,促进肿瘤细胞增殖,诱导骨吸收和骨转移的发病被证明在体外研究14,15。在这里,我们提出在体内成像技术的非侵入性评估应用MRI,VCT和美国在这些病变的血管生成。使用裸大鼠模型,互补的信息,包括对血容量和血管的功能信息的血管通透性/灌注(DCE-MRI,DCE的VCT),高分辨率的血管形态(VCT的血管造影),灌注(美国多普勒)和实时可以得到的血管成像(DCE美)1-7,16。

使用MRI,VCT和美国的血管参数成像使骨转移的澄清非侵入体内的血管生成的致病作用3,4,6组织评价。上述成像技术的另一个应用是在纵向研究骨转移后的抗血管生成或标准疗法的治疗效果的调查。纵向研究示范药理反应,占地达70天,进行了8和17之间大鼠组大小的肿瘤细胞接种后表现出抗肿瘤,抗血管生成和抗骨吸收作用2-7,17。由于在临床相关的动物模型,人类使用的扫描仪的成像方法的应用,所提出的程序是高价值评估治疗反应在患者骨转移16平。

总之,使用这种乳腺癌骨转移,新生血管的形态和功能方面的特定地点的动物模型,可成像的非侵入性和体内

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Disclosures

没有利益冲突的声明。

Acknowledgments

这项工作是由德意志研究联合会(SFB-TR 23和SFB - TR 79,结核病和DK)的支持。笔者想感谢雷纳特·班格特,卡琳Leotta和丽莎Seyler的优秀的技术援助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
MDA-MB-231 human breast cancer cells American Type Culture Collection HTB-26
RPMI-1640 Invitrogen 61870
FCS Invitrogen 10270
Trypsin-EDTA Invitrogen 25300
Carprofen Rimadyl Pfizer Pharma GmbH PZN 110208
Magnevist Bayer-Schering PZN 6961516
Imeron 400 MCT Bracco PZN 228654
SonoVue Bracco PZN 1567358
Papaverin Alfa Aesar L 04152
Isofluran Baxter Internationl Inc. HDG 9623
Symphony (Magnetic resonance imaging) Siemens AG
Volume CT (Volumetric computed tomography) Siemens AG
Acuson Sequioa 512 (Ultrasound) Siemens-Acuson

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References

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Bäuerle, T., Komljenovic, D., Berger, M. R., Semmler, W. Multi-modal Imaging of Angiogenesis in a Nude Rat Model of Breast Cancer Bone Metastasis Using Magnetic Resonance Imaging, Volumetric Computed Tomography and Ultrasound. J. Vis. Exp. (66), e4178, doi:10.3791/4178 (2012).More

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