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Medicine

암 치료 모니터링을위한 Cerenkov 발광 이미징 (CLI)

Published: November 13, 2012 doi: 10.3791/4341
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Department of Radiology and Bio-X Program Canary Cancer at Stanford for Cancer Early Detection, Stanford University

Summary

잠복기 암 치료를 모니터링하기위한 Cerenkov 발광 이미징 (CLI)의 사용은 여기에 설명되어 있습니다. 이 방법은 Cerenkov 방사선 (CR) 및 방사성 동위 원소 표지 된 프로브를 시각화하는 광학 이미징 (오이)의 활용하므로 잠복기 치료 모니터링 및 약물 검사에서 PET에 대한 대안을 제공합니다.

Abstract

분자 이미징에서 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 및 광학 이미징 (오이)는 1-3 가장 중요하고 따라서 가장 널리 사용되는 modalities의 두 가지입니다. PET는 우수한 감도 및 정량화 능력 오이가 아닌 방사선, 상대적으로 저렴한 비용, 짧은 검사 시간, 높은 처리량, 기본적인 연구자 폭 넓은 가용성을위한 중요한하는 동안이 특징입니다. 그러나 두 modalities도 자신의 단점이 있습니다. 오이는 대부분의 제한된 조직 침투로 인해 생활 조직의 두께를 통해 눈에 띄는 분산 광 신호와 함께 잠복기 응용 프로그램에 제한되는 동안 PET는 가난한 공간적 해상도와 높은 가격을 앓고.

최근 PET와 오이 사이에 다리가 Cerenkov 발광 이미징 (CLI) 4-6의 발견과 함께 등장했다. CLI는 오이 악기 이미지 radionuclides에 Cerenkov 방사선 (CR)를 이용합니다 새로운 이미징 양상이다. 러시아어 노벨 laureate Alekseyevich Cerenkov와 그의 동료는 원래 1934 년에 CR을 발견했다. 이 대전 입자가 유전체 매체 7,8에서 superluminal 속도로 여행 할 때 방출 전자기 방사의 형태입니다. 대전 입자는 양전자 또는 전자 있는지, 그 원자의 전자를 생기죠하여 매체의 전자기 필드를 perturbs. 변위 전자가 바닥 상태로 돌아로 중단의 광자를 통과 한 후 방출됩니다. 예를 들어, 한 18 F의 붕괴는 물 5 세 광자의 평균을 생산 추정되었다.

의 출현 이후, CLI는 다른 4,5,9,10,11 중 생체 종양 이미징, 기자 유전자 이미징, radiotracer 개발, multimodality 이미징에 포함 잠복기 응용 프로그램의 다양한에서의 사용을 위해 조사되었습니다. CLI 지금까지 많은 성공을 거두며 이유 가장 중요한 이유는이 새로운 기술은 낮은 공동 활용이다세인트 만 등 PET와 같은 더 많은 비용과 적은 사용 가능한 핵 이​​미징 modalities에 의해 이미징 될하는 데 사용되는 이미지 radionuclides에 오이 다양한 가용성.

여기, 우리는 암 약물 치료를 모니터링하기 위해 CLI를 사용하는 방법을 제시한다. 우리 그룹은 최근 새로운 응용 프로그램을 조사하고 증명 개념 연구 12의 가능성을 확인했다. 우리는 CLI와 PET는 다른 종양의 xenografts 및 이미징 프로브에서 우수한 상관 관계를 전시하는 보여 주었다. 이 CLI는 기본적으로 PET와 같은 radionuclides를 시각화하는 CR의 overarching 원칙과 일치합니다. 이 잘 알려진 혈관 신생 억제제 13,14이기 때문에 우리의 치료 에이전트로, 우리는 (Genentech / 로슈 Avastin) Bevacizumab을 선택했습니다. 가까운 장래에이 기술의 성숙은 상당한 잠복기 약물 개발에 미치는 영향, 검사뿐만 아니라 치료를받을 환자의 치료 모니터링을 가지고 구상 할 수 있습니다.

Protocol

1. 종양 모델

  1. 10% 태아 소 혈청과 1% 페니실린 / 스트렙토 마이신 (Invitrogen 생활 기술)와 보충 RPMI 1640 미디어의 문화 H460 세포를 (미국 유형 문화 수집). 그것은 세포 라인, 문화 매체, 접종의 위치, 마우스 당 xenografts 수 및 기타 고려 사항의 선택이 특정 연구의 목표에 맞는 할 모든 것을 주목해야한다. 여기에는 오직 그림으로 봉사하는 특정 프로젝트 설계를 제공합니다.
  2. 37 ° C와 신선한 매체로 변경 매일에서 5 % CO 2 humidified 분위기 속에서 셀 라인을 유지하고 있습니다.
  3. 세포의 75 %를 합류 monolayer가 형성 될 때, 트립신과 monolayer를 분리하고 더 세포 배양을위한 단일 셀 정지로 세포를 떼어 놓다.
  4. 에 약 1 × 10 6 H460 세포를 일시 중지 인산염 버퍼 생리 (PBS, Invitrogen)와 피하에 주입누드 마우스의 왼쪽과 오른쪽 두 어깨 (여성 athymic 누드 마우스 (뉴 / 뉴), 4~6주 노인, 찰스 강 (Charles River) 연구소 주식회사).
  5. 종양 150로 성장할 수 있도록 허용 - 200mm 3. 그것은이 크기로 성장 H460 종양 xenografts을 위해 약 2 주 정도가 걸립니다. 표준 캘리퍼스 측정은 종양 크기를 추적 수행됩니다.
  6. 종양은 종양 베어링 마우스 지금 치료 및 PET와 CLI 모두를 통해 생체 이미징의 준비가 이상적인 크기에 도달 할 때.

2. PET

  1. 이 일정하거나 특정 프로젝트 (그림 1) 12에 따라 그것의 유사 콘텐츠에 따라 PET 연구를 수행합니다. 요인을 포함, 일정의 디자인에 영향을하지만, 종양 이종 이식 세포 라인, 항암제, 그리고 주입 regimens의 선택에 제한 없습니다. 여기에는 오직 한가지 특정 이미징 일정을 소개합니다. CLI 연구에 따라 수행되어야하는CLI와 PET 연구의 그와 같은 일정은 해당 PET 후 즉시 수행했습니다. 이 PET 연구의 목적은 주로 CLI 결과의 검증을위한 것으로도 주목해야한다. 단지 이미지 방사성 동위 원소 표지 된 프로브에 오이 악기를 사용하려면 일반적인 사용자의 경우 더 PET 필요가 없습니다. 하나는 욕망의 PET 유효성 검사를 수행하는 경우 그러나, PET 및 CLI 악기 때문에 18 F (109.77 분)의 짧은 반 생활을 성공적으로하기 위해 검증 매우 가까운 거리에 위치해야합니다 강조해야합니다.
  2. 치료 및 제어 그룹으로 쥐를 나눈다 (N ≥ 3 각). 일 0과 2에서 20 밀리그램 / kg의 bevacizumab 2 주사로 치료 그룹의 쥐를 취급합니다. 일 0 첫 번째 주입에 의해 정의됩니다. 일 -1에서 사전 검사는 PET와 CLI 모두를 통해 수행해야합니다.
  3. 종양 - 베어링 쥐 소 동물 PET는 R4의 쥐 모델 스캐너 (지멘스 의료 솔루션 미국과 수행 할 것입니다A, 주식회사).
  4. (Aerrane, 박스터) 2% isoflurane과의 모든 쥐를 마취와 F-fluorothymidine 3'-데 옥시-3'-18을 주입 (18 F-편명, 7.3-8.0 MBq [198-215 μCi]) 꼬리 정맥을 통해. PET 프로브는 사출하기 전에 PBS로 희석해야한다.
  5. 1 시간 후 다시 마우스를 마취하고 anesthetized 마우스가 자주 발생하고 작은 동물 PET 스캐너의 시야의 중심 근처에 배치합니다.
  6. 3 분 정적 스캔을 받아 2 차원 명령 - 하위 집합 기대 최대 알고리즘에 의해 이미지를 재구성. 배경 보정은 필요하지 않습니다.
  7. 부패 - 수정 전체 - 몸 코로나 이미지에 종양으로, 관심 지역 (코로나 및 transaxial 조각에 5 픽셀 ROIs)립니다. ROIs에서 분당 픽셀 당 최대 카운트를 얻고 상수 보정을 사용하여 분당 밀리리터 당 카운트로 변환합니다. 1g / ML의 조직 밀도의 가정으로 카운트로 ROIs로 변환분당 당 그램. 주입 용량의 분당 g 당 수를 나누어 이미지 ROI 파생 %의 ID / g 값을 확인합니다. 감쇠 보정은 필요하지 않습니다.

3. CLI

  1. CLI는 IVIS 스펙트럼 시스템 (캘리퍼스 생명 과학)를 수행 할 것입니다. 이미지 수집 및 분석은 생활 이미지 3.0 소프트웨어 (캘리퍼스 생명 과학)를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 파장 - 해결 스펙트럼 이미징은 18 세트 좁은 밴드 방출 필터를 (- 850 nm의 490)를 사용하여 수행 할 수 있습니다. 다시 말하지만, 각각의 마우스에 대해 PET 연구는 프로토콜에 포함되어있는 경우 방사성 붕괴의 양을 최소화하기 위해 즉시 PET 후 CLI를 수행합니다.
  2. isoflurane 마취에서 빛을 꼭 챔버에서 동물을 배치합니다. 여러 쥐들이 처리량을 높이기 위해 동시에 배치 할 수 있습니다.
  3. 3 분 노출 시간 (F / = 1, binning = 4를 중지)를 사용하여 이미지를 획득. 동일한 조명 설정 (램프 전압, 필터, F / 정지,보기의 분야 BINN 사용ING)는 모든 이미지를 얻을 수 있습니다. 배경 조직의 신호 강도를 계산하는 등쪽 피부 영역을 사용합니다. steradian (P / S / cm 2 / SR) 당 제곱 센티미터 당 초당 광자에 형광 방출을 정상화.

4. 대표 결과

CLI 및 PET 이미지 사이의 시각적 인 비교는 쉽게 수행 할 수 있습니다. 같은 양상과 장소면 하나 CLI 및 PET 이미지 측면에서 이미지에서 통일 규모 줄이 대표 패널 (그림 2A) CLI와 PET 모두 사전 처리에서 처리 쥐 H460 xenografts에서 크게 감소 신호를 공개한다는 점에서 볼 수 있습니다 후 에 3 일, 제안 상당한 치료 효과. 비교로서 적당히 변경되지 않은 신호로 증가는 같은 기간 (데이터가 게재되지 않음) 동안 치료 생쥐에서 관찰되었다. 혼자 육안 검사에 의해 하나는 시각적 인 아르 종양 대조 사이 좋은 농도가 있다는 것을 관찰 할 수CLI 및 PET에서 ized. 사실,이 영상 상관 관계는 항암제 치료 처방 (주 3에서 CLI와 PET 이미지를 비교하십시오)에 이차 종양의 중앙 괴사를 표시하기에 충분한 해상도를 갖추고 있습니다. 이미징 결과를 quantifications를 확인하고 상관 관계 분석이 수행 할 수 있습니다.

CLI 및 PET 이미지와 선형 회귀를 통해 간단한 피팅의 Quantifications는 두 modalities가 실제로 훌륭한 상관 관계 (그림 2B, R 2 = 0.9309 18에 F-편명 치료 그룹을 시험)을하게되었다. 특히, 다른 종양 모델과 다른 항암제와의 CLI와 PET 이미징 연구의 모든 끼워 슬로프 따라서 선형 회귀하는 훌륭한 운동에도 모든 데이터 (데이터가 표시되지 않음) conglomerated 아르를 제안도 매우 가깝습니다. 두 대표 이미지는 이전 출판 (12)에서 구성된다.

er.within 페이지 = "항상"> 그림 1
그림 1. PET 및 CLI 연구 실험 설계의 도식. 종양은 어깨 지역에서 양자 이식 및 150-200mm 3 성장 할 수 있으며, 종양 - 베어링 생쥐는 하루 -1, 1, 3에서 PET와 CLI를 통해 생체 이미징에를 받게되었습니다했다. Bevacizumab 치료 일 0과 2에서 20 밀리그램 / kg의 2 주사에 의해 수행되었다.

그림 2
그림 2. (A) 생체 CLI 및 치료 (예정 스캔) 전 및 치료 (3 일) 후 Bevacizumab로 치료 H460 xenografts을 베어링 생쥐의 PET 이미지를합니다. (B) CLI와 PET의 대응 정량 분석 결과 (N = 3)과 상관 관계. 이미지 (6)에서 적응.arge.jpg "대상 ="_blank "> 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

CLI는 다양한 기초 과학 연구 응용 프로그램 및 심지어는 임상 사용 4,5,15,16,17에서 가능성을 발견 한 유망 분자 이미징 기술로 대두되고 있습니다. 이러한 훨씬 저렴하고, 더 많은 연구자에게 제공 짧은 획득 시간과 높은 처리량을 특징으로 사용하기 쉽게 오이 악기,,,의 사용에서 PET 줄기와 같은 기존의 핵 이미징 modalities 통해 CLI의 주요 장점. 또한, 어떤 CLI가 떨어져 일반적으로 오이의 설정은 기존의 오이 대리인과는 달리 식품 의약품 안전청 (FDA)에 의해 승인 된 대부분의 이미징 프로브와 같은 β-방출이라는 분자의 사용입니다. 이러한 독특하고 바람직한 자질로 CLI 신속 분자 영상 분야에서 관심을 얻고있다. 그러나 잠복기 및 임상 응용 프로그램에서의 잠재력은 아직 완전히 조사 할 수 있습니다.

암 치료 모니터링 분야 중 하나입니다어디에서 CLI 몇 가지 중요한 유틸리티를 할 수 있습니다. 이 프로브 개발, 약물 검사, 그리고 환자도 조정 암 치료의 열쇠입니다 매우 중요한 지역입니다. 현재 잠복기 암 치료 모니터링 등 PET와 같은 핵 이미징 modalities를 통해 거의 대부분 수행됩니다. 따라서 CLI는 특히 CLI와 PET 이미지 사이의 훌륭한 상관 관계가 있다는 것을 주어진 PET에 매우 매력적인 대안을 제공합니다. 등 32 P, 90 Y, 그리고 131 I 등의 방사체, 모두의 임상 적 관련이 있습니다 - 그러나, 치료 모니터링을위한 CLI의 또 다른 장점은 CLI는 이미지뿐만 아니라 β + - 방출기뿐만 아니라, β가 할 수있는 사실에 자리 잡고 있습니다.

그러나, CLI는 결함없이하지 않습니다. 오이 악기에 의존 CLI 이러한 생활 조직에서 신호 감쇠 및 산란 등의 광학 이미징에 고유 일부 단점을 앓고 해주는. 또한,의 특정 스펙트럼CR은 제한된 신호 강도 결과와 이후, 깊은 몸의 표면 아래 감도, 그리고 가난한 정량화 기능 6에서 신호. 결점이 큰 것으로 볼 수 있으며 단, 하나는 대부분 같은 마우스와 같은 작은 동물을 채용하여 잠복기 연구에서 이러한 장애물을 우회 할 수 있습니다. 더 중요한 건, 잠재적으로 CLI 암 치료 모니터링 혜택을 누릴 수 있습니다 임상 분야 중 적어도 몇이 있습니다. 이러한 피부 염증 조건 및 암과 같은 피상적 인 질병 항목을 모니터링하는 것은 하나의 훌륭한 예를 들어 역할을 할 수 있습니다. 또한, 질병 개체는 깊은 아직 전하 결합 장치 또는 광섬유 기반의 기술로 접근이뿐만 아니라 우수한 감도 및 CLI의 정량화 기능을 사용할 수 있습니다. 또 다른 흥미로운 가능성은 외과 의사가 수술실에 종양에 대한 해부학 및 기능 정보를 얻을 수 있도록 CLI를 사용하여에 자리 잡고 있습니다. 두 최근 증명 개념 스튜다이는 CLI 18,19에 intraoperative 이미지지도 덕분있는 마우스에서 종양의 감지 및 절제를 증명하고있다.

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Disclosures

관심 없음 충돌이 선언 없습니다.

Acknowledgments

우리는 국립 암 연구소 (NCI) R01 CA128908 스탠포드 의학 학술 연구 펠로십의 지원을 인정합니다. 이 기사에 관련 관심의 다른 잠재적 인 충돌이보고되지 않았습니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
H460 Cell Line American Type Culture Collection ATCC Number: HTB-177
RPMI 1640 Medium Invitrogen Life Technologies 12633-012
Fetal Bovine Serum Invitrogen Life Technologies 10091-148
Penicillin/Streptomycin Invitrogen Life Technologies 15640-055
Phosphate-Buffered Saline Invitrogen Life Technologies 10010-023
Female Athymic Nude Mice Charles River Laboratories, Inc. Strain Code: 088
Bevacizumab (Avastin) Genentech/Roche N/A
MicroPET Rodent R4 Siemens Medical Solutions USA, Inc. N/A
Isoflurane (Aerrane) Baxter Baxter Number: AHN3637
IVIS Spectrum Caliper Life Sciences N/A

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References

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암 생물학 문제 69 의학 분자 생물학 Cerenkov 발광 이미징 CLI 암 치료 모니터링 광학 이미징 PET radionuclides Avastin 영상
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Xu, Y., Liu, H., Chang, E., Jiang, H., Cheng, Z. Cerenkov Luminescence Imaging (CLI) for Cancer Therapy Monitoring. J. Vis. Exp. (69), e4341, doi:10.3791/4341 (2012).

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