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Medicine

Multimodal de imágenes de la angiogénesis en un modelo de rata desnuda de las metástasis óseas del cáncer de pecho utilizando imágenes de resonancia magnética, tomografía computarizada y la ecografía volumétrica

doi: 10.3791/4178 Published: August 14, 2012

Summary

En la patogénesis de las metástasis óseas, la angiogénesis es un proceso crucial y por lo tanto representa un objetivo de formación de imágenes y terapia. A continuación, presentamos un modelo de rata de sitio específico de metástasis de mama cáncer de huesos y describir las estrategias para la angiogénesis de la imagen de forma no invasiva

Abstract

La angiogénesis es un rasgo esencial de crecimiento del cáncer y la formación de metástasis. En metástasis ósea, factores angiogénicos son fundamentales para la proliferación de células tumorales en la cavidad de la médula ósea, así como para la interacción de las células tumorales y el hueso que resulta en la destrucción ósea local. Nuestro objetivo fue desarrollar un modelo de metástasis ósea experimental que permite la evaluación in vivo de la angiogénesis en lesiones óseas utilizando técnicas no invasivas de imagen.

Para este propósito, se inyectó 10 5 MDA-MB-231 células humanas de cáncer de mama en la arteria superficial epigástrico, que se opone al crecimiento de las metástasis en otras áreas del cuerpo de la pata respectiva trasera 1. Después de 25-30 días después de la inoculación de células tumorales, específicas del sitio metástasis óseas desarrollar, exclusivamente en la porción distal del fémur, la tibia proximal y proximal peroné 1. Aspectos morfológicos y funcionales de la angiogénesis puede ser investigado en el sentido longitudinal del hueso metaestasis utilizando imágenes por resonancia magnética (MRI), tomografía computarizada volumétrica (VCT) y la ecografía (EE.UU.).

RM muestra la información morfológica por parte del tejido blando de las metástasis óseas que inicialmente se limitan a la cavidad de la médula ósea y posteriormente supera el hueso cortical, mientras que progresa. Uso dinámico de la IRM con contraste (RM-RT) funcionales, incluyendo los datos de volumen de sangre regional, la perfusión y la permeabilidad de los vasos se pueden obtener y cuantificar 2-4. La destrucción ósea es capturado en alta resolución con imágenes de APV morfológica. Como complemento a hallazgos de la RM, las lesiones osteolíticas pueden figurar al lado de los sitios de crecimiento del tumor intramedular. Después de la aplicación del agente de contraste, el APV la angiografía muestra la arquitectura macrovessel en las metástasis óseas en alta resolución, y el DCE-VCT permite adentrarse en la microcirculación de estas lesiones 5,6. EE.UU. es aplicable para evaluar las características morfológicas y funcionales de las lesiones óseas debido a laosteolisis local del hueso cortical. Usando el modo B y Doppler, la estructura y la perfusión de las metástasis de tejidos blandos pueden ser evaluados, respectivamente. DCE-Estados Unidos permite en tiempo real imágenes de la vascularización en las metástasis óseas después de la inyección de microburbujas 7.

En conclusión, en un modelo de sitio específico del cáncer de mama metástasis ósea multimodales técnicas de imagen como resonancia magnética, el APV y la información de los EE.UU. oferta complementaria en la morfología y los parámetros funcionales de la angiogénesis en estas lesiones esqueléticas.

Protocol

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1. Cultivo Celular

  1. Cultura MDA-MB-231 células humanas de cáncer de mama (American Type Culture Collection) en RPMI-1640 (Invitrogen, Alemania) suplementado con FCS al 10% (Sigma, Alemania). Mantenga todas las culturas en condiciones normales (37 ° C, atmósfera húmeda, el 5% de CO 2) y el paso de las células 2-3 veces a la semana para mantener en crecimiento logarítmico. Para el modelo animal se describe a continuación, no hay necesidad para el uso de hueso-específicos sublíneas de MDA-MB-231 células como el índice de utilización del tumor es superior al 90% 1.
  2. Cosecha sub-confluentes células tumorales después de usar 2 mM EDTA en PBS (buffer fosfato salino sin Ca 2 + y Mg 2 +) y el 0,25% de tripsina (Sigma, Taufkirchen, Alemania). Recuento MDA-MB-231 células en una cámara de Neubauer y suspenderlos en RPMI-1640 (5x10 5 células en 1 ml).

2. Modelo de rata desnuda de las metástasis óseas

  1. Todos los experimentos fueron aprobados por el ánima gubernamental responsablel comité de ética.
  2. Utilizar ratas desnudas a una edad de 6-8 semanas y mantenerlos en condiciones libres de patógenos en un sistema animal apropiado pequeña (por ejemplo, mini-barrera del sistema). Mantenga a los animales en condiciones controladas (21 + / - 2 ° C de temperatura ambiente, 60% de humedad, y 12 horas luz-oscuridad) y ofrecen alimento esterilizado y agua ad libitum a las ratas.
  3. Antes de la cirugía los animales, inyectar un fármaco analgésico (por ejemplo, carprofeno 4 mg / kg SC, debido a su administración única y corta vida media (aprox. 8 horas), el carprofeno no debe afectar el crecimiento del tumor). Anestesie ratas con una mezcla de oxígeno (0,5 l / min) y isoflurano (1-1.5% vol.) Y asegurarse de que la rata es anestesiada adecuadamente y respira regularmente antes de comenzar el siguiente procedimiento.
  4. Coloque el animal anestesiado bajo un microscopio binocular operativo apropiado (por ejemplo, Leica) y trabajar con un aumento de 16 veces.
  5. Comience el procedimiento quirúrgico, cortando la piel y del tejido subcutáneo en el inguregión INAL a una longitud de 2-3 cm utilizando tijeras (BC060r tijeras iris 108 mm). Todas las arterias que se ramifican de la arteria femoral (AF) tiene que ser diseccionado incluyendo la arteria epigástrica superficial (SEA), la arteria descendente genicular (DGA), arteria poplítea (PA) y la arteria safena (SA).
  6. Ponga las pinzas de la arteria femoral proximal de origen de la SEA, así como en la DGA, PA y SA para ocluir temporalmente el flujo sanguíneo local. Ligue el mar en su parte distal para permitir la apertura de este buque sin hemorragia (fig. 1A).
  7. Corta el mar con unas tijeras (Vannas Micro-SCRS-Ranurado STR 85 mm) de la ligadura proximal (fig. 1B) y administrar una solución de papaverina al 1% hacia el mar, para facilitar la posterior inserción de una aguja, debido a la relajación de la embarcación ( Figura 1C).
  8. Cortar aproximadamente la mitad del diámetro de la EAE con tijeras e insertar una aguja (0,3 mm de diámetro y 42 mm de longitud) en el lumen de la EAE mientras holding el corte final de la embarcación con unas pinzas (Figura 1 D, E). Cuando esté disponible, fijar la aguja en un dispositivo externo para reducir los movimientos irregulares que podrían resultar en la perforación de la pared del vaso. Conecte una jeringa a la aguja. Retire el clip de la FA distal y colocarla en la arteria safena (Figura 1F).
  9. Inyectar las células MDA-MB-231 suspendidos en 0,2 ml de medio lentamente en el mar. En virtud de los clips de MDA-MB-231 células se dirigen a la DGA y PA. Retire la aguja y ligar la evaluación ambiental estratégica para prevenir el sangrado antes de quitarse los clips de las arterias. Cerrar la herida con grapas quirúrgicas y poner fin a la anestesia por inhalación.
  10. Para el seguimiento posterior al procedimiento, las ratas se sacrificaron por lo general 7-8 semanas después de la inoculación de las células tumorales para evitar graves complicaciones óseas. Durante este tiempo, los animales deben ser controlados diariamente para evaluar el tamaño del tumor y cualquier evidencia de dolor (por ejemplo, las desviaciones de comportamiento, pérdida de peso, los defectos de motor). Si los animales muestran un tumortamaño superior al límite permitido éticamente o evidencia de dolor durante el crecimiento del tumor, tienen que ser sacrificados.
  11. Inmuno-deficiencia (desnudo), se utilizaron ratas para el trasplante de xenógeno humanos MDA-MB-231 células de cáncer de mama. Ratas desnudas no fueron elegidos para visualizar mejor el crecimiento del tumor.

3. Imágenes por resonancia magnética (RM)

  1. Después de la inoculación de células tumorales, permiten aproximadamente 25-30 días de crecimiento del tumor antes de comenzar con la formación de imágenes. Para la RM utiliza un escáner dedicado experimental o de un ser humano del equipo de RMN con una bobina de animal adecuado. Se utilizó un sistema humano MR (Sinfonía, Siemens, Alemania) y una bobina de fabricación casera para la excitación de radiofrecuencia y detección, diseñado como un volumen cilíndrico resonador con un diámetro interior de 83 mm y una longitud útil de 120 mm (Figura 2A).
  2. Se anestesia la rata con el oxígeno y el isoflurano como dado anteriormente. Coloque un catéter en la vena de la cola y fijarla en la cola con un grifo e. Conectar una jeringa que contiene el agente de contraste (por ejemplo, 0,1 mmol / kg de Gd-DTPA en aproximadamente 0,5 ml; MAGNEVIST, Bayer-Schering, Alemania).
  3. Coloque la rata en el sistema de MR mantenimiento de la anestesia por inhalación. Comienza con una secuencia morfológica RM para localizar la metástasis en los huesos (por ejemplo, T2: secuencia turbo spin eco, TR 3240 ms, TE 81 ms, la matriz de 256 x 152, FOV 90 x 53,4 mm 2, grosor de corte de 1,5 mm, 3 medias, exploración tiempo de 3:40 min).
  4. Determinar un trozo de la metástasis en los huesos de mayor diámetro y de iniciar la secuencia de la RM-RT (por ejemplo, la secuencia de recuperación de la saturación de turbo flash, TR 373 ms, TE 1,86 ms, matriz de 192 x 144, FOV 130 x 97,5 mm 2, grosor de corte de 5 mm, las mediciones de 512, un promedio de 1, tiempo de exploración 6:55 min). Después de aproximadamente 30 segundos, comenzará a inyectar el agente de contraste en un período de tiempo de 10 seg. El tiempo total para los procedimientos anteriormente mencionados para realizar un examen de resonancia magnética es aproximadamente 15-20 minutos por animal.
título "> 4. tomografía computarizada volumétrica (VCT)

  1. Elija un sistema adecuado de CT, ya sea un humano o un escáner experimental. En este caso, se utilizó un prototipo de una pantalla plana equipados volumétrica computarizada tomografía (Figura 2B, volumen CT, Siemens, Alemania).
  2. Se anestesia la rata con el oxígeno y el isoflurano como dado anteriormente. Coloque un catéter en la vena de la cola y fijarla en la cola con una cinta. Conectar una jeringa que contiene el agente de contraste (por ejemplo, 1 g de yodo por kg en aproximadamente 0,5 ml; Imeron 400, Bracco, Alemania).
  3. Coloque la rata en el escáner bajo anestesia por inhalación. Utilice los siguientes parámetros de análisis para el APV: tensión del tubo de 80 kV, tubo de 50 mA, tiempo de exploración de 51 seg, velocidad de rotación de 10 segundos, fotogramas por segundo, 120, matriz de 512 x 512 y el tramo de espesor 0,2 mm. Inyectar el agente de contraste durante la segunda rotación del sistema de panel plano. El tiempo total para los procedimientos antes mencionados para llevar a cabo un examen del APV es de aproximadamente 5-10 minutos por animcol.
  4. Reconstruir imágenes con una FDK modificado (Feldkamp-Davis-Kress) de haz cónico algoritmo de reconstrucción (kernel H80a, Afra, Alemania).

5. Ultrasonido (EE.UU.)

  1. Los sistemas de EE.UU. experimentales y clínicos están disponibles para este propósito. Se utilizó el sistema clínica Acuson Sequoia 512 sistema de ultrasonido con un transductor lineal de 15L8 (Figura 2C; Siemens Acuson, Mountain View, CA).
  2. Se anestesia la rata con el oxígeno y el isoflurano como dado anteriormente. Coloque un catéter en la vena de la cola y fijarla en la cola con una cinta. Conectar una jeringa que contiene un agente de contraste de microburbujas (por ejemplo 1,6 ml / kg en aproximadamente 0,5 ml; SonoVue, Bracco, Italia). Fije el transductor de EE.UU. en el partido de ida correspondiente trasera utilizando un trípode y aplicar el gel de EE.UU. entre el transductor y la pata trasera.
  3. Realizar imágenes en modo B (frecuencia de transmisión: 17 MHz; índice mecánico: 0,51) para determinar el diámetro mayor de la metástasis ósea y fijar el transductor en tsu posición. Añadir señal Doppler en las imágenes de modo B para obtener información sobre la perfusión tisular. Por favor, tenga en cuenta que sólo las lesiones que interrumpen el hueso cortical son accesibles a las ondas de los Estados Unidos.
  4. Para dinámica de contraste mejorado de EE.UU. (DCE-Estados Unidos) que el dispositivo de EE.UU. en cadencia contraste pulso de la secuencia (CPS) de modo (frecuencia de transmisión: 7 MHz; índice mecánico: 0,18), inyectar las microburbujas y grabar un cine loop de 90 segundos de longitud. El tiempo total para los procedimientos anteriormente mencionados para realizar un examen EE.UU. es de aproximadamente 10-15 minutos por animal.

6. Postprocesado de datos de imágenes

  1. Utilice la información morfológica de la RM, el APV y los EE.UU. para caracterizar el tumor de tejido blando (MRI, EE.UU.) y la destrucción del esqueleto (APV) de las metástasis óseas y determinar la ubicación, tamaño de la lesión y el volumen de las lesiones con un visor DICOM (por ejemplo, Osirix Dicom Visor).
  2. Para obtener el patrón de ramificación de los vasos en las metástasis óseas (angiografía), los datos de APV pueden ser utilizados. Rela construcción de imágenes en 2D o 3D, utilizando la información de la fase arterial con o sin técnicas de sustracción (por ejemplo, Osirix visor DICOM).
  3. Con el fin de cuantificar los parámetros de la vascularización de la RM-RT, DCE y DCE VCT-Estados Unidos-, utilizar las herramientas de software específicas para las modalidades. Para la RM-RT, determinar los parámetros vasculares amplitud A (asociado con el volumen de sangre) y de tipo de cambio constante ep k (asociada con la perfusión y la permeabilidad de los vasos) en las metástasis óseas con Dyna Lab (MeVis Investigación, Bremen, Alemania) sobre la base de los dos- compartimiento modelo de Brix 8,9. Alternativas para la evaluación de los modelos farmacocinéticos están disponibles, por ejemplo, el modelo de Tofts 10.
  4. Para cuantificar DCE-VCT de datos, realizar un análisis descriptivo de los datos para calcular los parámetros tales como el área bajo la curva (AUC) o la mejora de pico (PE) con Dyna Lab (MeVis Investigación, Bremen, Alemania).
  5. Cuantificar la información de tiempo real DCE-Estados Unidos utilizando el software de análisis cuantitativo (por ejemplo, Qontrast, Bracco, Italia) mediante el análisis de cine-bucles de acuerdo con el modelo de inyección en bolo en práctica. Coloque la región de interés (ROI) a través de la metástasis en los huesos, determinar si existen factores descriptivos, como el área bajo la curva o los parámetros cuantitativos de mapas codificados en colores, por ejemplo volumen sanguíneo regional, el flujo sanguíneo regional y el tiempo de llenado.

7. Los resultados representativos

Después de la inyección intraarterial de MDA-MB-231 células en el mar (Figura 1), específicas del sitio de metástasis óseas se desarrollan en el partido de ida correspondiente trasera de la rata desnuda. Lesiones osteolíticas confinados en el fémur, la tibia y el peroné se pueden visualizar de forma no invasiva mediante resonancia magnética, el APV y los EE.UU. (Figura 2) a partir de aproximadamente 25-30 días después de la inyección y el seguimiento-por varias semanas. Cuando la combinación de resonancia magnética, APV y los EE.UU., incluyendo nativos y técnicas con contraste, la información complementaria se puede evaluar en las metástasis óseas que se componen de un tejido blandotumor (células tumorales y estroma) y la lesión osteolítica respectiva (destrucción ósea). Para la comparación de los datos respectivos entre las técnicas, las tres modalidades de imagen se puede utilizar de forma secuencial en la misma rata. RMN muestra la morfología del hueso tejido metastásico suave que inicialmente se limita a la cavidad de la médula ósea y posteriormente supera hueso cortical en el curso del desarrollo. Los parámetros funcionales tales como el volumen sanguíneo regional, perfusión y permeabilidad de los vasos puede obtenerse a partir de RM-RT y cuantificados (Figura 3). La estructura ósea, y en particular los cambios en las metástasis osteolíticas se evalúan en alta resolución a través del APV. Como complemento a hallazgos de la RM, las lesiones osteolíticas se encuentran junto al crecimiento del tumor intramedular. APV la angiografía muestra la arquitectura macrovessel alteración de las metástasis óseas, y el DCE-VCT muestra los aspectos correspondientes de la microcirculación (Figura 4). Debido a la destrucción local de hueso cortical en metastatilesiones c, EE.UU. es aplicable para evaluar las características morfológicas y funcionales del tumor de tejido blando por el uso de modo B y Doppler. Tras la aplicación de las microburbujas, DCE-Estados Unidos permite en tiempo real imágenes de la vascularización en las metástasis óseas (Figura 5).

Figura 1
Figura 1. Pata trasera de una rata desnuda preparado para la inoculación de células tumorales como reflejado a través de un microscopio quirúrgico. Un dibujo, la ramificación de la arteria femoral (AF), incluyendo la arteria epigástrica superficial (SEA), la arteria descendente genicular (DGA), arteria poplítea (PA) y la arteria safena (SA). Clips arterial colocado en la SA, PA y FA proximal, así como la ligadura de la EAE, B, MAR se cortó proximal de la ligadura; C, relajación de los músculos de la evaluación ambiental después de la adición de la papaverina; D, la incisión de la SEA (absorbido por el una pinza), E, ​​inserción de la aguja en el mar, F, aguja fijada en el mar (financiamiento externo xating dispositivo) y la inyección de células MDA-MB-231 células tumorales a través de la evaluación ambiental estratégica en la DGA y la Autoridad Palestina en virtud de los clips.

Figura 2
Figura 2 A, humana MR sistema (Symphony, Siemens, Alemania) y una bobina de fabricación casera para la excitación de radiofrecuencia y detección coloca en el escáner;. B, de pantalla plana equipados volumétrica computarizada tomografía (CT Volumen, Siemens, Alemania), C, clínica sistema de ultrasonido Acuson Sequioa 512 (Siemens-Acuson, Mountain View, CA).

Figura 3
Figura 3. Axiales secciones MR. Panel de la izquierda, T2W resonancia magnética, panel central, la amplitud A (RM-RT), panel de la derecha, el tipo de cambio constante ep k (RM-RT). Las flechas apuntan a las metástasis óseas. El mapa de colores para los rangos de datos DCE-MRI de rojo (valores altos) a azul (valores bajos).

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Figura 4. Reconstrucciones en 3D de APV de la metástasis ósea osteolítica (panel izquierdo) y una angiografía (panel central), así como una sección de DCE-APV en la orientación axial de la mejora máxima del parámetro (panel derecho). El mapa de colores para los rangos de datos DCE-VCT de rojo (valores altos) a azul (valores bajos).

Figura 5
Figura 5. Estados Unidos imágenes de modo B (morfología, panel izquierdo), Doppler (perfusión, panel central) y el CEUS (panel de la derecha, el aumento máximo después de la inyección de microburbujas de imágenes en tiempo real de la vascularización) de una metástasis ósea.

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Discussion

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El método de la inducción de hueso experimental metástasis que aquí se presenta en combinación con los procedimientos de imágenes permiten el seguimiento de las lesiones osteolíticas en ratas desnudas longitudinalmente. En nuestro modelo, MDA-MB-231 células humanas de cáncer de mama se inyectan en el mar, que es una anastomosis entre la arteria ilíaca a través del tronco pudendoepigastric y la arteria femoral. En consecuencia, el flujo de sangre en la región suministran de la articulación de la rodilla se mantiene después de la ligadura de la SEA. Las ventajas de este modelo, en comparación con los modelos establecidos de las metástasis óseas son la aparición específica de sitio de las metástasis óseas en comparación con el modelo de inyección intracardíaca 11 y la inclusión de los procesos patogénicos de extravasación de células tumorales y la migración al tejido diana, en comparación con el modelo de inyección tibia 12. Además, en este modelo una carga tumoral sistémica, en particular, la difusión visceral, se omite que permite estudios longitudinales sobre sísemana Veral, y por tanto permite la reducción de los animales requeridos 1,13.

El papel de la angiogénesis como proceso esencial para promover la proliferación de células tumorales e inducen la resorción ósea en la patogénesis de las metástasis óseas se demostró previamente en estudios in vivo ex 14,15. Aquí, presentamos en las técnicas de imagen in vivo para evaluar de forma no invasiva la angiogénesis en la aplicación de estas lesiones MRI, APV y los EE.UU.. El uso de un modelo de rata desnuda, la información complementaria de la vascularización que incluye información funcional en el volumen sanguíneo y la permeabilidad de vasos / perfusión (RM-RT, DCE-VCT), la morfología de buques en alta resolución (APV angiografía), la perfusión (EE.UU. Doppler) y en tiempo real imágenes de la vascularización (DCE-Estados Unidos) se puede obtener 1-7,16.

Imágenes de los parámetros angiogénicos mediante resonancia magnética, el APV y los EE.UU. permite a la elucidación del papel patogénico de la angiogénesis en la metástasis del esqueleto de forma no invasiva e in vivo 3,4,6. Otra aplicación de las técnicas de imagen antes mencionadas es la investigación de los efectos terapéuticos en los estudios longitudinales sobre las terapias anti-angiogénicas o estándar para las metástasis óseas. Para la demostración de la respuesta farmacológica, los estudios longitudinales que cubre hasta 70 días después de la inoculación de células tumorales con el tamaño de los grupos de entre 8 y 17 ratas fueron realizados para demostrar la lucha contra el tumor, los efectos anti-angiogénicos y anti-resorción 2-7,17. Debido a la aplicación de métodos de imagen sobre los escáneres para uso humano en un modelo animal clínicamente relevantes, los procedimientos presentados son de alto valor traslacional para la evaluación de la respuesta al tratamiento en los pacientes con metástasis óseas 16.

En conclusión, con este modelo animal específico del sitio de las metástasis óseas del cáncer de mama, los aspectos morfológicos y funcionales de la angiogénesis puede ser reflejado de forma no invasiva e in vivo

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Disclosures

No hay conflictos de interés declarado.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por la Deutsche Forschungsgemeinschaft (SFB-TR 23 y SFB TR-79, la tuberculosis y DK). Los autores desean agradecer a Bangert Renate, Karin Leotta y Seyler Lisa por su excelente asistencia técnica.

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

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).

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