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Medicine

Multi-modal de imagem de angiogênese em um modelo de rato nu de Câncer de mama utilizando a ressonância magnética, tomografia computadorizada volumétrica e ultra-som

doi: 10.3791/4178 Published: August 14, 2012

Summary

Na patogénese da metástase óssea, a angiogénese é um processo crucial e, portanto, representa um alvo para imagiologia e terapia. Aqui, apresentamos um modelo do rato de site-specific metástases ósseas de câncer de mama e descrever as estratégias para não-invasiva angiogênese imagem

Abstract

A angiogênese é uma característica essencial do crescimento do câncer e formação de metástases. Em metástase óssea, factores angiogénicos são cruciais para a proliferação de células tumorais na cavidade da medula óssea, bem como para a interacção do tumor e osso células, resultando em destruição óssea local. Nosso objetivo foi desenvolver um modelo experimental de metástase óssea que permite avaliação in vivo da angiogênese nas lesões ósseas, utilizando técnicas não-invasivas de imagem.

Para este propósito, que injectado 10 5 MDA-MB-231 células cancerosas de mama humano na artéria epigástrica superficial, o que impede o crescimento de metástases em outras áreas do corpo do que a perna respectiva traseira 1. Após 25-30 dias após a inoculação de células de tumor, metástases ósseas específicas do local desenvolver, restrita ao fêmur distal, tíbia proximal e fíbula proximal 1. Aspectos morfológicos e funcionais da angiogênese pode ser investigada longitudinalmente no osso metaestase usando ressonância magnética (MRI), tomografia volumétrica computadorizada (VCT) e ultra-som (EUA).

RM exibe informações morfológica da parte do tecido mole de metástases ósseas que é inicialmente confinados à cavidade da medula óssea e, subsequentemente, excede o osso cortical, enquanto a progredir. Usando dinâmica de contraste MRI (DCE-MRI) funcional dados, incluindo o volume de sangue regional, perfusão e permeabilidade dos vasos podem ser obtidos e quantificados 2-4. Destruição óssea é capturado em imagens de alta resolução usando VCT morfológica. Em complemento a resultados de MRI, lesões osteolíticas pode ser localizado adjacente a sítios de crescimento do tumor intramedular. Após a aplicação de contraste, VCT angiografia revela a arquitetura macrovaso em metástases ósseas em alta resolução, e DCE-VCT permite discernimento na microcirculação destes 5,6 lesões. Dos EUA é aplicável para avaliar as características morfológicas e funcionais a partir de lesões do esqueleto, devido àosteólise local de osso cortical. Usando modo-B e técnicas de Doppler, a estrutura ea perfusão das metástases do tecido mole pode ser avaliada, respectivamente. DCE-US permite imagens em tempo real da vascularização metástases ósseas após a injeção de microbolhas 7.

Em conclusão, em um modelo de site-specific osso câncer de mama metástases técnicas multi-modais de imagem, incluindo ressonância magnética, VCT e informações complementares oferta dos EUA sobre a morfologia e parâmetros funcionais da angiogênese dessas lesões esqueléticas.

Protocol

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1. Cultura de Células

  1. Cultura MDA-MB-231 células cancerosas de mama humanos (American Type Culture Collection) em meio RPMI-1640 (Invitrogen, Alemanha) suplementado com FCS 10% (Sigma, Alemanha). Manter todas as culturas em condições padrão (37 ° C, atmosfera humidificada, 5% de CO 2) e as células de passagem 2-3 vezes por semana para mantê-las em crescimento logarítmico. Para o modelo animal descrito abaixo, não há necessidade de utilização de osso sub-linhas específicas de MDA-MB-231 células como a taxa de absorção do tumor é superior a 90% 1.
  2. Colheita sub-confluentes de células tumorais após utilizando EDTA 2 mM em PBS-(salino tamponado com fosfato sem Ca 2 + e Mg 2 +) e 0,25% de tripsina (Sigma, Taufkirchen, Alemanha). Contagem de MDA-MB-231 células em uma câmara de Neubauer e suspendê-las em meio RPMI-1640 (5x10 5 células em 1 mL).

2. Modelo de Rato Nudez de metástase óssea

  1. Todos os experimentos foram aprovados pela anima responsável governamentall comitê de ética.
  2. Use ratos nus com uma idade de 6-8 semanas e mantê-los na isentos de agentes patogénicos condições em um sistema animal apropriado pequena (por exemplo, sistema de mini-barreira). Manter os animais em condições controladas (21 + / - 2 ° C a temperatura ambiente, humidade 60%, e 12 hr ritmo de luz-escuro) e oferecem alimentação autoclavado e água ad libitum para os ratos.
  3. Antes da cirurgia animal, injectar um medicamento analgésico (por exemplo, carprofeno 4 mg / kg sc; devido à sua administração única e meia-vida curta (cerca de 8 horas), carprofeno não deve afectar o crescimento do tumor). Anestesiar ratos com uma mistura de oxigénio (0,5 l / min) e isoflurano (1-1,5% vol.) E certificar-se o rato é anestesiado adequadamente e respira regularmente antes de iniciar o procedimento seguinte.
  4. Coloque o animal anestesiado sob um microscópio binocular adequada operacional (por exemplo, Leica) e trabalhar com uma ampliação de 16 vezes.
  5. Comece o procedimento cirúrgico, cortando a pele e tecido subcutâneo na inguinal região em um comprimento de 2-3 cm, utilizando tesoura (tesoura BC060r Iris 108 mm). Todas as artérias se ramificam a artéria femoral (FA) tem que ser dissecado incluindo a artéria epigástrica superficial (SEA), artéria descendente genicular (DGA), artéria poplítea (PA) e da artéria safena (SA).
  6. Coloque grampos sobre a artéria femoral proximal da origem do SEA, bem como sobre a DGA, PA e SA para temporalmente ocluir o fluxo de sangue local. Ligar o SEA na sua parte distal para permitir a abertura deste navio sem sangramento (Figura 1A).
  7. Cortar o mar usando tesouras (Vannas Micro-SCRS-sulcado STR 85 mm) proximal da ligadura (Figura 1B) e administrar uma solução papaverin 1% para o mar, a fim de facilitar a inserção subsequente de uma agulha devido ao relaxamento do vaso ( A Figura 1C).
  8. Cortar aproximadamente metade do diâmetro do SEA com uma tesoura e inserir uma agulha (0,3 mm de diâmetro e 42 mm de comprimento) para dentro do lúmen do mar, enquanto Holding o corte final do vaso com um fórceps (Figura 1D, E). Quando disponível, fixar a agulha em um dispositivo externo para reduzir os movimentos irregulares que podem resultar em perfuração da parede do vaso. Conectar uma seringa para a agulha. Remova o clipe da FA distal e colocá-lo na artéria safena (Figura 1F).
  9. Injectar as células MDA-MB-231 suspensos em 0,2 ml de meio lentamente para o mar. Em virtude dos clipes MDA-MB-231 células são dirigidos para a DGA e PA. Remova a agulha e ligar o SEA para prevenir o sangramento antes de tirar os clips da artéria. Fechar a ferida usando grampos cirúrgicos e terminar a anestesia inalatória.
  10. Para pós-procedimento de monitorização, os ratos são sacrificados geralmente 7-8 semanas após a inoculação das células tumorais para evitar complicações graves esqueléticos. Durante este tempo, os animais devem ser monitorizados diariamente para avaliar o tamanho do tumor e qualquer evidência de dor (por exemplo, os desvios comportamentais, perda de peso, defeitos do motor). Se os animais apresentam um tumortamanho superior ao limite permitido eticamente ou evidência de dor durante o crescimento do tumor, eles têm de ser sacrificado.
  11. Imuno-deficientes (Nude) ratos foram usados ​​para o transplante de xenógena humanos MDA-MB-231 células de cancro da mama. Ratos nus não foram escolhidos para visualizar melhor o crescimento do tumor.

3. Imagem por Ressonância Magnética (RM)

  1. Após a inoculação de células tumorais, permitem que cerca de 25-30 dias de crescimento do tumor, antes de começar com a criação de imagens. Para RM usar um scanner dedicado experimental ou um sistema de MR humana com uma bobina de animal adequado. Foi utilizado um sistema humano MR (Symphony, Siemens, Alemanha) e uma bobina construídos em casa para a excitação de radiofrequência e de detecção, concebido como um volume cilíndrico ressonador com um diâmetro interno de 83 mm e um comprimento útil de 120 mm (Figura 2A).
  2. Anestesiar o rato com o oxigênio e isoflurano como dado acima. Coloque um cateter na veia da cauda e fixá-la sobre a cauda utilizando uma torneira e. Conectar uma seringa contendo o agente de contraste (por exemplo, 0,1 mmol / kg de Gd-DTPA em aproximadamente 0,5 ml; Magnevist, Bayer-Schering, Alemanha).
  3. Coloque o rato no sistema MR manter a anestesia por inalação. Comece com uma seqüência MR morfológica para localizar a metástase óssea (por exemplo, ponderada em T2: seqüência turbo spin eco, TR 3240 ms, TE 81 ms, matriz de 152 x 256, FOV 90 x 53,4 milímetros 2, espessura de corte de 1,5 mm, 3 médias, digitalização tempo 3:40 min).
  4. Determinar uma fatia da metástase óssea com o maior diâmetro e iniciar a seqüência de DCE-MRI (por exemplo, saturação de recuperação sequência de flash turbo, TR 373 ms, TE 1,86 ms, matriz de 192 x 144, FOV 130 x 97,5 milímetros 2, espessura de corte de 5 mm, 512 medições, médias 1, tempo de varredura min 6:55). Depois de cerca de 30 seg, começam a injectar o agente de contraste ao longo de um período de tempo de 10 seg. O tempo total para os procedimentos acima mencionados para realizar um exame de ressonância magnética é aproximadamente 15-20 min por animal.
title "> 4. Tomografia Computadorizada Volumétrica (VCT)

  1. Escolher um sistema de CT adequado, quer humano ou um scanner de um experimental. Aqui, usamos um protótipo de tela plana equipada volumétrica A tomografia computadorizada (Figura 2B; Volume CT, Siemens, Alemanha).
  2. Anestesiar o rato com o oxigênio e isoflurano como dado acima. Coloque um cateter na veia da cauda e fixá-la sobre a cauda utilizando uma fita adesiva. Conectar uma seringa contendo o agente de contraste (por exemplo, 1 g de iodo por quilograma em aproximadamente 0,5 ml; Imeron 400, Bracco, Alemanha).
  3. Coloque o rato sobre o scanner sob anestesia geral inalatória. Use os parâmetros de digitalização a seguir para VCT: tubo de 80 kV de tensão, corrente do tubo de 50 mA velocidade de rotação, tempo de varredura 51 seg, 10 seg, quadros por 120 segundo, matriz de 512 x 512 e uma fatia de espessura 0,2 mm. Injectar o agente de contraste durante a rotação segundo o sistema de painel plano. O tempo total para os procedimentos acima mencionados para realizar uma análise VCT é min aproximadamente 5-10 por Animai.
  4. Reconstruir imagens com um FDK modificado (Feldkamp-Davis-Kress) cone-beam algoritmo de reconstrução (kernel H80a, Afra, Alemanha).

5. O ultra-som (EUA)

  1. Sistemas experimentais e clínicos dos EUA estão disponíveis para este fim. Utilizou-se o clínico sistema Acuson Sequoia sistema de ultra-som 512 com um transdutor de 15L8 linear (Figura 2C; Siemens-Acuson, Mountain View, CA).
  2. Anestesiar o rato com o oxigênio e isoflurano como dado acima. Coloque um cateter na veia da cauda e fixá-la sobre a cauda utilizando uma fita adesiva. Conectar uma seringa contendo um agente de contraste de microbolhas (por exemplo, 1,6 ml / kg em aproximadamente 0,5 ml; SonoVue, Bracco, Itália). Fixar o transdutor EUA na perna respectiva traseira utilizando um tripé e aplicar EUA gel entre o transdutor ea perna.
  3. Execute B-mode imaging (frequência de transmissão: 17 MHz; índice mecânico: 0,51) para determinar o maior diâmetro da metástase óssea e corrigir o transdutor em tsua posição. Adicionar Doppler do sinal no modo B-imagens para obter informações sobre a perfusão tecidual. Por favor, tenha em mente que as lesões que interrompem apenas osso cortical são acessíveis a ondas de norte-americanos.
  4. Para dinâmico de contraste EUA (DCE-US) definir o dispositivo dos EUA em cadência contraste pulso seqüenciamento (CPS) modo (freqüência de transmissão: 7 MHz; índice mecânico: 0,18), injetar as microbolhas e gravar um cine loop de 90 segundos comprimento. O tempo total para os procedimentos acima mencionados para realizar uma análise dos EUA é aproximadamente 10-15 min por animal.

6. Pós-processamento de dados de imagem

  1. Use as informações morfológicas da RM, VCT e dos EUA para caracterizar o tumor dos tecidos moles (MRI, EUA) e da destruição do esqueleto (VCT) de metástases ósseas e determinar a localização, tamanho da lesão e volume das lesões com um visualizador DICOM (por exemplo Osirix Dicom Viewer).
  2. Para obter o padrão de ramificação de vasos em metástases ósseas (angiografia), os dados de ATV pode ser usado. Reconstruir imagens 2D ou 3D, utilizando as informações da fase arterial, com ou sem técnicas de subtração (por exemplo Osirix Dicom Viewer).
  3. Para quantificar parâmetros da vascularização do DCE-MRI, DCE-VCT e DCE-US, use ferramentas de software específicas para as modalidades. Para DCE-RM, determinar o vascular parâmetros amplitude A (associada com o volume de sangue) ea taxa de câmbio constante k ep (associada com a perfusão e permeabilidade dos vasos) em metástases ósseas com Dyna Lab (Mevis Research, Bremen, Alemanha) com base na dois- modelo de compartimento de Brix 8,9. Modelos alternativos de farmacocinética para avaliação estão disponíveis, por exemplo, o modelo Tofts 10.
  4. Para quantificar DCE-VCT de dados, realizar uma análise descritiva dos dados para calcular os parâmetros, tais como área sob a curva (AUC) ou intensificação de pico (PE) com Dyna Lab (Mevis Research, Bremen, Alemanha).
  5. Quantificar informações em tempo real DCE-US usando software de análise quantitativa (por exemplo Qontrast, Bracco, Itália), analisando cine-loops de acordo com o modelo implementado bólus. Coloque a região de interesse (ROI) sobre a metástase óssea, determinar ou fatores descritivos, tais como área sob a curva ou parâmetros quantitativos a partir de códigos de cores mapas, por exemplo, volume de sangue regionais, do fluxo sanguíneo regional e tempo de enchimento.

7. Os resultados representativos

Após a injecção intra-arterial de MDA-MB-231 células para o mar (Figura 1), metástases ósseas site-specific desenvolver na perna respectiva traseira do rato nu. Lesões osteolíticas confinados ao fêmur, tíbia e fíbula pode ser trabalhada de forma não invasiva por ressonância magnética, VCT e dos EUA (Figura 2) começando aproximadamente 25-30 dias após a injeção e acompanhados por várias semanas. Ao combinar ressonância magnética, VCT e EUA, incluindo nativos e com contraste de técnicas, informações complementares podem ser avaliados em metástases ósseas que são compostos de um tecido maciotumoral (células tumorais e estroma) ea lesão osteolítica respectivo (a destruição do osso). Para comparação dos respectivos dados entre as técnicas, todos os três métodos de imagem pode ser utilizada sequencialmente no mesmo rato. RM exibe morfologia do tecido metastático ósseo macia que é inicialmente confinado à cavidade da medula óssea e, subsequentemente, excede o osso cortical, no decurso do desenvolvimento. Os parâmetros funcionais, tais como regionais perfusão sanguínea do volume, e permeabilidade do reservatório pode ser obtido a partir de DCE-RM e quantificado (Figura 3). Estrutura óssea e, em particular as alterações osteolíticas nas metástases são avaliados em alta resolução por VCT. Em complemento a resultados de MRI, lesões osteolíticas estão localizadas adjacentes aos intramedular crescimento do tumor. VCT angiografia revela a arquitectura macrovaso alterado de metástases ósseas, e DCE-VCT exibe respectivos aspectos da microcirculação (Figura 4). Devido à destruição local do osso cortical em metastatilesões c, EUA é aplicável para avaliar as características morfológicas e funcionais do tumor do tecido mole através da utilização de modo-B e técnicas de Doppler. Após a aplicação de microbolhas, DCE-EUA permite imagens em tempo real da vascularização em metástases ósseas (Figura 5).

A Figura 1
Figura 1. Perna Hind de um rato nu preparado para a inoculação de células tumorais como fotografada através de um microscópio de operação. Um padrão, ramificação da artéria femoral (FA), incluindo a artéria epigástrica superficial (SEA), artéria descendente genicular (DGA), artéria poplítea (PA) e da artéria safena (SA). Clipes arteriais colocado no SA, PA e FA proximal, bem como a ligação da AAE; B, SEA foi cortada proximal da ligadura; C, relaxamento muscular da AAE após a adição de papaverina; D, incisão da SEA (retomada por uma pinça); E, inserção de agulha em SEA; F, agulha fixada na SEA (externo fi xating dispositivo) e injeção de MDA-MB-231 células tumorais através da SEA para o DGA e PA, em virtude dos clipes.

A Figura 2
A Figura 2 A, humana MR sistema (Symphony, Siemens, Alemanha) e uma bobina construídos em casa para a excitação de radiofrequência e de detecção colocado no scanner;. B, plana equipado volumétrico A tomografia computadorizada (CT Volume, Siemens, Alemanha); C, clínica ultra-som Acuson sistema Sequioa 512 (Siemens-Acuson, Mountain View, CA).

A Figura 3
Figura 3. Cortes axiais de RM. Painel esquerdo, T2w RM; painel do meio, amplitude A (DCE-MRI); painel direito, taxa de câmbio constante k ep (DCE-MRI). As setas indicam a metástases ósseas. O mapa de cores para intervalos DCE-MRI dados do vermelho (alto valor) para azul (valores baixos).

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Figura 4. Reconstruções de ATV 3D da metástase óssea osteolítica (painel da esquerda) e uma angiografia (painel do meio), bem como uma secção de DCE-VCT na orientação axial a partir do acessório de pico parâmetro (painel da direita). O mapa de cores para intervalos DCE-VCT de dados de vermelho (alto valor) para azul (valores baixos).

A Figura 5
A Figura 5. Imagens dos EU de modo-B (morfologia, painel da esquerda), Doppler (perfusão, o painel do meio) e CEUS (painel da direita, o aumento de pico após a injecção de microbolhas de imagens em tempo real da vascularização) de uma metástase óssea.

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Discussion

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O método de indução de osso experimental metástases aqui apresentados, em combinação com os procedimentos de imagem permitir o seguimento lesões osteolíticas em ratos nus longitudinalmente. Em nosso modelo, MDA-MB-231 células humanas de câncer de mama são injetadas no mar, que é uma anastomose entre a artéria ilíaca, através do tronco pudendo ea artéria femoral. Consequentemente, o fluxo de sangue para a região fornecido da articulação do joelho é mantida após a ligadura da SEA. As vantagens deste modelo, em comparação com modelos estabelecidos de metástase óssea são o aparecimento site-specific de metástases ósseas, em comparação com o modelo de injecção intracardíaca 11 ea inclusão dos processos patogénicos de extravasamento de células de tumor e migração para o tecido alvo em comparação com o modelo de injecção tíbia 12. Além disso, neste modelo de uma carga tumoral sistémica, na disseminação visceral particular, é omitido o que permite estudos longitudinais sobre sisemana veral, e assim permite a redução de animais necessários 1,13.

O papel da angiogénese como processo essencial para promover a proliferação de células de tumor e induzir a reabsorção óssea na patogénese da metástase óssea foi previamente demonstrado em estudos ex vivo 14,15. Aqui, nós apresentamos em técnicas de imagem in vivo para avaliar de forma não invasiva a angiogênese dessas lesões, aplicando MRI, VCT e dos EUA. Usando um modelo de rato nude, informações complementares de vascularização, incluindo informações funcionais sobre o volume de sangue e navio permeabilidade / perfusão (DCE-MRI, DCE-VCT), morfologia navio em alta resolução (VCT angiografia), a perfusão (EUA Doppler) e em tempo real imagiologia de vascularização (DCE-US) podem ser obtidos 1-7,16.

Imagem de parâmetros angiogênicos usando ressonância magnética, VCT e dos EUA permite a elucidação do papel patogênico da angiogênese na metástase óssea não-invasiva e in vivo 3,4,6. Outra aplicação para as técnicas acima mencionadas imagem é a investigação de efeitos terapêuticos em estudos longitudinais sobre terapias anti-angiogênicas ou padrão para metástases ósseas. Para demonstração da resposta farmacológica, estudos longitudinais que cobre até 70 dias após a inoculação de células de tumor com tamanhos de grupo entre 8 e 17 ratos foram realizadas para demonstrar anti-tumorais, os efeitos anti-angiogénicos e anti-reabsorção 2-7,17. Devido à aplicação dos métodos de imagem sobre scanners para uso humano num modelo animal clinicamente relevante, os procedimentos apresentados são de valor elevado de translação para a avaliação da resposta ao tratamento de pacientes com metástases ósseas 16.

Em conclusão, usando este modelo animal site-specific de metástases do cancro da mama ósseas, aspectos morfológicas e funcionais da angiogénese pode ser trabalhada de forma não invasiva e in vivo

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Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

Este trabalho foi financiado pelo Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB TR-23 e SFB-TR 79, TB e DK). Os autores gostariam de agradecer Bangert Renate, Karin Leotta e Lisa Seyler para assistência técnica excelente.

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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