Summary
L'utilisation de l'imagerie Cerenkov Luminescence (CLI) pour surveiller le traitement du cancer préclinique est décrite ici. Cette méthode tire parti du rayonnement Cerenkov (CR) et l'imagerie optique (IO) pour visualiser des sondes radiomarquées et offre ainsi une alternative au PET dans le suivi thérapeutique préclinique et le dépistage des drogues.
Abstract
Dans l'imagerie moléculaire, la tomographie par émission de positons (TEP) et l'imagerie optique (IO) sont deux des modalités les plus importantes et donc plus largement utilisé 1-3. PET se caractérise par son excellente sensibilité et la capacité de quantifier tout OI est remarquable pour non-radiation, le coût relativement faible, le scan en temps court, un débit élevé et une grande disponibilité pour les chercheurs de base. Cependant, les deux modalités ont leurs défauts aussi. PET souffre d'une résolution spatiale médiocre et le coût élevé, tandis que OI est le plus souvent limitée à des applications précliniques en raison de sa pénétration tissulaire limitée ainsi que les signaux de diffusion de premier plan optiques à travers l'épaisseur des tissus vivants.
Récemment, un pont entre le PET et OI a vu le jour avec la découverte de la luminescence Cerenkov Imaging (CLI) 4-6. CLI est une nouvelle modalité d'imagerie qui exploite les rayonnements Cerenkov (CR) aux radionucléides d'image avec des instruments d'OI. Russie Nobel laureate Alekseyevich Cerenkov et ses collègues ont découvert à l'origine CR en 1934. Il s'agit d'une forme de rayonnement électromagnétique émis quand une particule chargée se déplace à une vitesse supraluminique dans un milieu diélectrique 7,8. La particule chargée, si positron ou électron, perturbe le champ électromagnétique du milieu par le déplacement des électrons dans les atomes. Après le passage des photons sont émis sous forme de perturbation des électrons déplacés revenir à l'état fondamental. Par exemple, un 18 F carie a été estimé à produire une moyenne de 3 photons dans l'eau 5.
Depuis son apparition, la CLI a été étudié pour son utilisation dans une variété d'applications précliniques, notamment en imagerie in vivo de tumeurs, le gène rapporteur imagerie, traceur radioactif le développement, la multimodalité imagerie, entre autres 4,5,9,10,11. La raison la plus importante pour laquelle CLI a connu beaucoup de succès à ce jour est que cette nouvelle technologie tire parti de la coopération basseer et la grande disponibilité des OI aux radionucléides d'image, qui utilisés pour imager seulement par les plus chers et moins accessibles modalités d'imagerie nucléaire tels que le PET.
Ici, nous présentons la méthode d'utilisation de la CLI pour surveiller la thérapie contre le cancer. Notre groupe a récemment enquêté sur cette nouvelle application et validé la faisabilité d'une étude de preuve de concept 12. Nous avons démontré que CLI et PET exposées excellentes corrélations entre les xénogreffes de tumeurs différentes sondes d'imagerie. Ceci est cohérent avec le principe fondamental de CR qui CLI visualise essentiellement les mêmes radionucléides que le PET. Nous avons choisi le bévacizumab (Avastin; Genentech / Roche) en tant que notre agent thérapeutique parce qu'il est un inhibiteur de l'angiogenèse célèbre 13,14. La maturation de cette technologie dans un proche avenir peut être envisagé d'avoir un impact significatif sur le développement préclinique de médicaments, le dépistage, ainsi que le suivi thérapeutique des patients recevant des traitements.
Protocol
1. Modèle de tumeur
- Culture des cellules H460 (American Type Culture Collection) dans du milieu RPMI 1640 supplémenté avec 10% de sérum de veau fœtal et 1% de pénicilline / streptomycine (Invitrogen Life Technologies). Il est à noter que le choix des lignées cellulaires, les milieux de culture, les lieux de vaccination, le nombre de xénogreffes de souris par et d'autres considérations doivent tous être adaptés aux objectifs d'une étude particulière. Ici, nous allons présenter qu'un seul projet de conception spécifique à servir d'illustration.
- Maintenir des lignées de cellules dans une atmosphère humidifiée de 5% de CO 2 à 37 ° C et le changement de milieu frais tous les jours.
- Quand une monocouche confluente 75% de cellules est formée, détacher la monocouche avec de la trypsine et de dissocier les cellules dans une suspension à cellule unique pour la culture cellulaire en outre.
- Suspendre à environ 1 × 10 6 cellules H460 dans du tampon phosphate salin (PBS; Invitrogen) et l'implant sous-cutané dansépaules gauche et droite de la souris nude (femelles souris nues athymiques (nu / nu), 4 à 6 semaines, Charles River Laboratories, Inc.)
- Laissez les tumeurs de se développer à 150 - 200 mm 3. Il faut environ 2 semaines pour H460 xénogreffes tumorales de croître à cette taille. Norme étrier de mesure est mise en oeuvre pour suivre les tailles tumorales.
- Lorsque les tumeurs atteignent la taille idéale des souris porteuses de tumeurs êtes maintenant prêt pour le traitement et l'imagerie in vivo par l'intermédiaire de la TEP et de la CLI.
2. PET
- Effectuer les études TEP en fonction de ce calendrier ou toute modification de celui-ci en fonction du projet spécifique (figure 1) 12. Un certain nombre de facteurs pourraient influer sur la conception du programme, y compris, mais sans s'y limiter, le choix des lignées cellulaires tumorales xénogreffes, les médicaments anticancéreux, et les posologies. Ici, nous allons présenter qu'un seul programme d'imagerie spécifique. Les études CLI doivent être exécutés en fonction de lamême fréquence que celles des études en PET, avec CLI effectué immédiatement après le PET correspondant. Il convient également de noter ici que le but des études TEP est principalement pour la validation des résultats de l'ICA. Pour les utilisateurs ordinaires qui souhaitent tout simplement d'utiliser des instruments d'OI pour les sondes d'imagerie radio-marqués, aucun PET est nécessaire. Toutefois, si l'on fait la validation PET désir, il faut souligner que les instruments de PET et de la CLI doit être situé à proximité très proche de la validation de réussir en raison de la courte demi-vie de 18 F (109,77 min).
- Divisez les souris en groupes de traitement et de contrôle (n ≥ 3 chacun). Traiter des souris dans le groupe de traitement avec 2 injections de bévacizumab 20 mg / kg aux jours 0 et 2. Jour 0 est défini par la première injection. Notez qu'à Jour -1 un pré-scan doit être effectué via la TEP et de la CLI.
- Petits animaux PET de souris porteuses de tumeurs doit être effectuée avec un scanner R4 modèle de rongeur (Siemens Medical Solutions USAA Inc).
- Anesthésier toutes les souris avec 2% d'isoflurane (Aerrane; Baxter) et injecter 3'-désoxy-3'-18 F-fluorothymidine (18 F-FLT; 7,3 à 8,0 MBq de [198 à 215 pCi]) par l'intermédiaire de la veine de la queue. La sonde PET doit être dilué dans du PBS avant l'injection.
- Après 1 heure, anesthésier les souris à nouveau et placer des souris anesthésiées ventre et près du centre du champ de vue du scanner TEP petit animal.
- Obtenir trois balayages-minute statiques et reconstruire les images d'un 2-dimensionnelle sous-ensembles ordonnés algorithme maximale attente. La correction de fond n'est pas nécessaire.
- Dessinez des régions d'intérêt (ROI; 5 pixels pour coupes coronales et transaxiale) au cours des tumeurs sur les caries corrigées corps entier des images coronales. Procurez-vous les comptages maximaux par pixel par minute à partir du ROI et le convertir en compte par millilitre par minute à l'aide d'une constante d'étalonnage. Avec l'hypothèse d'une densité de tissu de 1 g / ml, convertir le ROI de comptepar gramme par minute. Déterminer le ROI d'images dérivées% ID / g valeurs en divisant coups par minute par gramme par dose injectée. Correction de l'atténuation n'est pas nécessaire.
3. CLI
- CLI doit être effectuée avec un système Spectrum IVIS (Caliper Life Sciences). Acquisition et analyse des images doivent être effectuées à l'aide du logiciel Living Image 3.0 (Caliper Life Sciences). Longueur d'onde d'imagerie spectrale est résolu à être effectuée en utilisant un 18-ensemble d'émission à bande étroite du filtre (490 - 850 nm). Encore une fois, pour chaque souris, effectuez immédiatement après CLI PET pour minimiser la quantité de décroissance radioactive si les études en PET sont inclus dans le protocole.
- Placer les animaux dans une chambre étanche à la lumière sous anesthésie à l'isoflurane. Plusieurs souris peuvent être placés simultanément pour augmenter le débit.
- Acquérir des images en utilisant 3 min temps d'exposition (f / = 1, binning = 4). Utiliser les mêmes réglages d'éclairage (tension de la lampe, les filtres, f / arrêt, des champs de vision, binntion) afin d'acquérir toutes les images. Utilisez la zone de la peau du dos pour calculer l'intensité du signal du tissu de fond. Normaliser émission de fluorescence à des photons par seconde par centimètre carré par stéradian (p / s / cm 2 / sr).
4. Les résultats représentatifs
La comparaison visuelle entre les CLI et les images TEP peut être facilement réalisée. Après l'unification de la barre d'échelle à travers des images de la modalité et au même endroit CLI et PET images côte à côte, on peut voir dans ce panel représentatif (figure 2A) qui à la fois CLI et TEP a révélé une diminution significative de signaux H460 xénogreffes chez des souris traitées de pré-traitement au jour 3, ce qui suggère effet thérapeutique significatif. A titre de comparaison, modérément accrue aux signaux non modifiés ont été observées chez les souris non traitées au cours de la même période (données non présentées). Par inspection visuelle, on peut observer qu'il ya une bonne consistance entre les contrastes tumorales qui sont visuellesIzed partir de la CLI et le PET. En fait, cette corrélation visuelle a une résolution suffisante pour montrer une nécrose centrale de la tumeur secondaire au schéma thérapeutique anticancéreuse (veuillez comparer la CLI d'images TEP et de jour 3). Afin de valider les résultats d'imagerie quantifications et l'analyse de corrélation peut être effectuée.
Quantifications des CLI et des images TEP et un raccord simple grâce à une régression linéaire a montré que les deux modalités en effet eu une excellente corrélation (Figure 2B, R 2 = 0,9309 pour 18 F-FLT sondé groupe de traitement). Notamment, dans l'ensemble de notre CLI et des études d'imagerie TEP avec différents modèles de tumeurs et différents médicaments anticancéreux les pentes des ajustements sont également remarquablement proche, suggérant ainsi un excellent ajustement de la régression linéaire même de toutes les données sont agglomérées (données non présentées). Les deux images représentatives sont adaptés de notre 12 publication précédente.
er.within pages = "always"> 
Figure 1. Schéma de conception expérimentale des études TEP et CLI. Les tumeurs ont été implantés bilatéralement dans la région des épaules et on le laisse croître de 150-200 mm 3, et souris porteuses de tumeurs ont été soumis à l'imagerie in vivo par l'intermédiaire de PET et CLI à jour -1, 1, et 3. Traitement par le bevacizumab a été réalisée par 2 injections de 20 mg / kg aux jours 0 et 2.
Figure 2. (A) In vivo CLI d'images TEP et de souris porteuses de xénogreffes H460 traités par bevacizumab avant le traitement (pré-scan) et après traitement (jour 3). (B) correspondant analyse quantitative des CLI et PET résultats (n = 3) et de leurs corrélations. Images adapté de (6).arge.jpg "target =" _blank "> Cliquez ici pour agrandir la figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
CLI est en train de devenir une technique d'imagerie moléculaire prometteuse qui a trouvé dans de nombreux potentiels de base des applications de recherche en sciences et même l'utilisation clinique 4,5,15,16,17. Les principaux avantages de la CLI plus traditionnels modalités d'imagerie nucléaire comme la tige PET de son utilisation d'instruments OI, qui sont plus faciles à utiliser, caractérisées par des temps d'acquisition à court et à haut débit, nettement moins coûteux et plus largement accessibles aux chercheurs. En outre, ce qui distingue CLI part OI en général est l'utilisation de β-émetteurs molécules marquées en tant que sondes d'imagerie, dont beaucoup ont été approuvés par la Food and Drug Administration (FDA), à la différence des agents OI. Avec ces qualités uniques et souhaitables, CLI a rapidement attiré l'attention du domaine de l'imagerie moléculaire. Pourtant, son potentiel dans les applications précliniques et cliniques doivent encore être étudiées en profondeur.
Le suivi thérapeutique du cancer est l'une des zonesoù CLI peut avoir une certaine utilité significative. Il s'agit d'un domaine très important qui est essentiel au développement de la sonde, le dépistage des drogues et le traitement du cancer, même en adaptant pour les patients. À l'heure actuelle, la surveillance préclinique traitement du cancer est réalisée presque exclusivement à travers des modalités d'imagerie nucléaire tels que le PET. Par conséquent CLI fournit une alternative très intéressante au PET, en particulier étant donné qu'il existe une excellente corrélation entre les images de la CLI et le PET. Pourtant, un autre avantage de la CLI pour la surveillance de thérapie réside dans le fait que l'image CLI peut non seulement β +-émetteurs, mais également β - émetteurs comme le 32 P, 90 Y et 131 I, qui tous sont cliniquement pertinentes.
Cependant, CLI n'est pas sans défauts. Le recours à des instruments OI dicte que CLI souffre de quelques défauts qui sont intrinsèques à l'imagerie optique telles que l'atténuation du signal et de la diffusion dans les tissus vivants. En outre, le spectre particulier deCR se traduit aussi par l'intensité du signal limitée et par la suite, plus le signal de la surface du corps, plus la sensibilité, et les plus pauvres du 6 Capacité de quantification. Cependant, alors que les lacunes peuvent être jugés importants, on peut largement contourner ces obstacles dans la recherche préclinique en employant de petits animaux comme les souris. Plus important encore, il ya au moins un couple de domaines cliniques qui peuvent potentiellement bénéficier d'un suivi CLI traitement du cancer. Surveillance des entités pathologiques superficielles comme dermatologiques inflammatoires et les cancers peuvent servir comme un bon exemple. En outre, les entités morbides qui sont profondément encore accessible en charge-coupled device ou à fibres optiques à base de techniques peuvent utiliser l'excellente sensibilité et la capacité de quantification des CLI et. Une autre possibilité intéressante consiste à utiliser CLI pour aider les chirurgiens à obtenir de l'information anatomique et fonctionnelle sur les tumeurs dans la salle d'opération. Deux récente preuve de concept étudiantsdies ont démontré la détection et la résection des tumeurs chez la souris avec grâce peropératoires d'orientation d'image à 18,19 CLI.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Aucun conflit d'intérêt déclaré.
Acknowledgments
Nous reconnaissons l'appui de l'Institut national du cancer (NCI) R01 CA128908 et Stanford Medical Research Scholar Fellowship. Aucun autre conflit d'intérêt pertinent à cet article a été signalé.
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 |
References
- Weissleder, R., Mahmood, U.
- Chen, K., Chen, X. Positron emission tomography imaging of cancer biology: current status and future prospects. Semin. Oncol. 38 (1), 70 (2011).
- Solomon, M., Liu, Y., Berezin, M. Y., et al. Optical imaging in cancer research: basic principles, tumor detection, and therapeutic monitoring. Med. Princ. Pract. 20 (5), 397 (2011).
- Liu, H., Ren, G., Miao, Z., et al. Molecular Optical Imaging with Radioactive Probes. PLoS One. 5 (3), e9470 (2010).
- Robertson, R., Germanos, M. S., Li, C., et al. Optical imaging of Cerenkov light generation from positron-emitting radiotracers. Phys. Med. Biol. 54 (16), N355 (2009).
- Xu, Y., Liu, H., Cheng, Z. Harnessing the power of radionuclides for optical imaging: Cerenkov luminescence imaging. J. Nucl. Med. 52 (12), 2009 (2011).
- Cerenkov, P. Visible emission of clean liquids by action of g-radiation. Dokl Akad Nauk SSSR. 2, 451 (1934).
- Cerenkov, P. A. Visible radiation produced by electrons moving in a medium with velocities exceeding that of light. Phys Rev. 52 (4), 0378 (1937).
- Boschi, F., Calderan, L., D'Ambrosio, D., et al. In vivo 18F-FDG tumour uptake measurements in small animals using Cerenkov radiation. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. 38 (1), 120 (2011).
- Liu, H., Ren, G., Liu, S., et al. Optical imaging of reporter gene expression using a positron-emission-tomography probe. J. Biomed. Opt. 15 (6), 060505 (2010).
- Park, J. C., Yu, M. K., An, G. I., et al. Facile preparation of a hybrid nanoprobe for triple-modality optical/PET/MR imaging. Small. 6 (24), 2863 (2010).
- Xu, Y., Chang, E., Liu, H., et al. Proof-of-concept study of monitoring cancer drug therapy with cerenkov luminescence imaging. J. Nucl. Med. 53 (2), 312 (2012).
- Ellis, L. M.
- Hochster, H. S. Bevacizumab in combination with chemotherapy: first-line treatment of patients with metastatic colorectal cancer. Semin. Oncol. 33, Suppl 5 . 10. (2006).
- Dothager, R. S., Goiffon, R. J., Jackson, E., et al. Cerenkov radiation energy transfer (CRET) imaging: a novel method for optical imaging of PET isotopes in biological systems. PLoS One. 5 (10), e13300 (2010).
- Hu, Z., Liang, J., Yang, W., et al. Experimental Cerenkov luminescence tomography of the mouse model with SPECT imaging validation. Opt. Express. 18 (24), 24441 (2010).
- Park, J. C., Il An, G., Park, S. I., et al. Luminescence imaging using radionuclides: a potential application in molecular imaging. Nucl. Med. Biol. 38 (3), 321 (2011).
- Holland, J. P., Normand, G., Ruggiero, A., et al. Intraoperative imaging of positron emission tomographic radiotracers using Cerenkov luminescence emissions. Mol. Imaging. 10 (3), 177 (2011).
- Intraoperative imaging of tumors using Cerenkov luminescence endoscopy: a feasibility experimental study. J. Nucl. Med. Liu, H., Carpenter, C. M., Jiang, H., et al. , (2012).
