Summary
Bruk av Cerenkov Luminescence Imaging (CLI) for overvåking preklinisk kreftbehandling er beskrevet her. Denne metoden tar fordel av Cerenkov Radiation (CR) og optisk imaging (OI) for å visualisere radiomerkede prober og dermed gir et alternativ til PET i preklinisk terapeutisk overvåking og narkotika screening.
Abstract
I molekylær imaging, positronemisjonstomografi (PET) og optisk imaging (OI) er to av de viktigste og dermed mest brukte modaliteter en. PET er preget av sin utmerket følsomhet og kvantifisering evne mens OI er kjent for ikke-stråling, relativ lav pris, kort skanning tid, høy gjennomstrømning, og bred tilgjengelighet til grunnleggende forskere. Men begge modaliteter har sine mangler, så vel. PET lider av dårlig romlig oppløsning og høye kostnader, mens OI er stort sett begrenset til prekliniske applikasjoner på grunn av dens begrensede vevspenetrasjon sammen med fremtredende spredende optiske signaler gjennom tykkelsen av levende vev.
Nylig en bro mellom PET og OI har dukket opp med oppdagelsen av Cerenkov Luminescence Imaging (CLI) 2-4. CLI er en ny imaging modalitet som utnytter Cerenkov Radiation (CR) til bilde radionuklider med OI instrumenter. Russisk Nobel laureate Alekseyevich Cerenkov og hans kolleger opprinnelig oppdaget CR i 1934. Det er en form for elektromagnetisk stråling når en ladet partikkel reiser på en superluminal hastighet i en dielektrisk medium 5. Den ladede partikkel, enten positron eller elektron, perturbs det elektromagnetiske feltet av mediet ved å fortrenge elektronene i sine atomer. Etter å ha passert av avbrudd fotoner slippes som de fordrevne elektroner tilbake til grunntilstanden. For eksempel ble en 18 F forfallet anslått å produsere en gjennomsnittlig 3 fotoner i vann 3.
Siden fremveksten, har CLI blitt undersøkt for sin bruk i en rekke av prekliniske applikasjoner inkludert in vivo tumor avbildning, rapportørgen bildebehandling, radiotracer utvikling, multimodalitet bildebehandling bl.a. 2,3,6. Den viktigste grunnen til at CLI har hatt mye suksess så langt er at denne nye teknologien utnytter den lave kostnader og wide tilgjengeligheten av OI til bilde radionuklider, som pleide å bli fotografert bare dyrere og mindre tilgjengelig kjernefysiske bildediagnostikk som PET.
Her presenterer vi metoden med å bruke CLI å overvåke kreft medikamentell terapi. Vår gruppe har nylig undersøkt dette ny søknad og validert sin mulighetsstudie av en proof-of-concept studie 7. Vi viste at CLI og PET utstilt gode korrelasjoner mellom ulike tumorxenotransplantater og bildebehandling sonder. Dette er i tråd med det overordnede prinsippet om CR som CLI hovedsak visualiserer de samme radionuklider som PET. Vi valgte Bevacizumab (Avastin, Genentech / Roche) som vår terapeutisk middel fordi det er en velkjent angiogenese hemmer 8. Modning av denne teknologien i nær fremtid kan tenkes å ha en betydelig innvirkning på prekliniske narkotika utvikling, screening, samt terapi overvåking av pasienter som får behandling.
Protocol
1. Tumor Model
- Kultur H460 celler (American Type Culture Collection) i RPMI 1640 medium supplert med 10% føtalt bovint serum og 1% penicillin / streptomycin (Invitrogen Life Technologies). Det bør bemerkes at valg av cellelinjer, kultur medier, plassering av inokulering, antall xenografter per mus, og andre hensyn er alle å være tilpasset målene for en bestemt studie. Her vil vi bare presentere ett konkret prosjekt design for å tjene som en illustrasjon.
- Oppretthold cellelinjer i en fuktet atmosfære av 5% CO 2 ved 37 ° C og endre til friskt medium annenhver dag.
- Når en 75% konfluent monolag av celler er dannet, løsner monolaget med trypsin og dissosierer cellene inn i en enkelt-cellesuspensjon for videre cellekultur.
- Suspendere ca 1 x 10 6 H460 celler i fosfat-bufret saltvann (PBS; Invitrogen) og implantatet subkutant ibåde venstre og høyre skuldre av nakne mus (kvinnelige atymiske nakne mus (nu / nu), 4-6 uker gamle, Charles River Laboratories, Inc.).
- Tillat svulster vokse til 150 - 200 mm 3. Det tar ca 2 uker for H460 tumorxenotransplantater å vokse til denne størrelsen. Standard caliper Målingen utføres å spore tumor størrelser.
- Når svulster nå den ideelle størrelsen på svulsten bærende mus er nå klar for behandling og in vivo avbildning via både PET og CLI.
2. PET
- Utføre PET studier i henhold til denne planen eller en variant av det avhengig av det konkrete prosjektet (Figur 1) 7. En rekke faktorer kan påvirke utformingen av tidsplanen, inkludert, men ikke begrenset til, valg av tumor xenograft cellelinjer, antican og doseringsregimer. Her vil vi bare presentere ett bestemt bildebehandling planen. CLI studier skal utføres i henhold tilopplegget som de av PET studier, med CLI utføres umiddelbart etter at det aktuelle PET. Det bør også bemerkes her at formålet med PET studier er hovedsakelig for validering av CLI resultater. For vanlige brukere som bare ønsker å bruke OI instrumenter for imaging radiomerkede sonder, er ingen PET nødvendig. Men hvis man gjør ønske PET validering det bør understrekes at PET og CLI instrumenter må være plassert i umiddelbar nærhet til validering for å være vellykket på grunn av den korte halveringstiden av 18 F (109,77 min).
- Dele mus i behandling og kontroll grupper (n ≥ 3 hver). Behandle mus i behandlingsgruppen med 2 injeksjoner av bevacizumab på 20 mg / kg på dag 0 og 2. Dag 0 er definert ved den første injeksjon. Legg merke til at på dag -1 en pre-scan bør utføres via både PET og CLI.
- Lie-dyr PET av tumor-bærende mus skal utføres med en R4 gnagermodellene skanner (Siemens Medical Solutions USA, Inc.).
- Anesthetize alle mus med 2% isofluran (Aerrane; Baxter) og injiser med 3'-deoksy-3'-18 F-fluorothymidine (18 F-FLT; 7,3 til 8,0 MBq [198-215 pCi]) via halevenen. PET proben skal fortynnes i PBS før injeksjon.
- Etter 1 time, anesthetize mus nytt og plasserer bedøvede mus utsatt og nær sentrum av synsfeltet av small animal PET skanneren.
- Få tre-minutters statiske skanninger og rekonstruere bildene ved en 2-dimensjonal bestilt-undergrupper forventning maksimal algoritme. Bakgrunn korreksjon er ikke nødvendig.
- Tegn regioner av interesse (ROIs, 5 piksler for koronale og transaxial stykker) over svulster på forråtnelse-korrigert hele kroppen koronale bilder. Oppnå maksimal tellinger per piksel per minutt fra ROIs og konvertere til tellinger per milliliter per minutt ved bruk av en kalibrering konstant. Med forutsetningen om en vev tetthet 1 g / ml, konvertere ROIs til teller per gram per minutt. Bestem bilde ROI-avledet% ID / g verdier ved å dele teller per gram per minutt ved injisert dose. Demping korreksjon er ikke nødvendig.
3. CLI
- CLI skal utføres med et IVIS Spectrum system (Caliper Life Sciences). Innsamling og analyse av bilder skal utføres ved hjelp av levende bilde 3.0 programvare (Caliper Life Sciences). Bølgelengde-løst spektral avbildning skal utføres ved hjelp av en 18-set smalbånd utslipp filteret (490-850 nm). Igjen, for hver mus, utføre CLI umiddelbart etter PET å minimere mengden av radioaktiv nedbrytning dersom PET studier er inkludert i protokollen.
- Plasser dyr i en lys-tett kammer under isofluran anestesi. Flere mus kan plasseres samtidig å øke gjennomstrømningen.
- Erverve bilder med 3 min eksponeringstid (f / stopp = 1, binning = 4). Bruk de samme belysning innstillinger (lampe spenning, filtre, f / stop, synsfelt, binning) om å kjøpe alle bildene. Bruk rygghuden arealet for å beregne signalintensiteten av bakgrunn vev. Normalisere fluorescensemisjonen til fotoner per sekund per centimeter kvadrat per steradian (p / s / cm 2 / sr).
4. Representant Resultater
Visuell sammenligning mellom CLI og PET-bilder kan lett utføres. Etter samlende skalaen bar over bilder fra samme modalitet og sted CLI og PET bilder ved siden av hverandre kan man se i denne representative panel (Figur 2A) at både CLI og PET avslørt betydelig redusert signaler fra H460 xenografter i behandlede mus fra forbehandling til dag 3, noe som tyder signifikant terapeutisk effekt. Som en sammenligning ble moderat økt til uendrede signaler observert hos ubehandlede mus i samme tidsperiode (data ikke vist). Ved visuell inspeksjon alene kan en observere at det er en god konsistens mellom tumor kontraster som er visualized fra CLI og PET. Faktisk har denne visuelle sammenhengen nok oppløsning til å vise sentrale nekrose av svulsten sekundært til kreft behandlingsregime (vennligst sammenligne CLI og PET-bilder fra dag 3). For å validere de bildedannende funn quantifications og korrelasjonsanalyse kan utføres.
Quantifications av CLI og PET-bilder og en enkel montering via lineær regresjon viste at de to modaliteter faktisk hadde en utmerket korrelasjon (figur 2B, R 2 = 0,9309 for 18 F-FLT probed behandling gruppe). Spesielt, i alle våre CLI og PET imaging studier med ulike tumor modeller og ulike kreft narkotika i bakken av anfall er også bemerkelsesverdig tett, og dermed tyder en utmerket passform av lineær regresjon selv av alle data er conglomerated (data ikke vist). Begge representative bildene er tilpasset fra vår forrige publisering 7.
innenfor-page = "always"> 
Figur 1. Skjematisk av eksperimentell design av PET og CLI studier. Svulster ble implantert bilateralt i skulderen regionen og tillates å vokse til 150-200 mm 3, og tumor-bærende mus ble underkastet in vivo avbildning via PET og CLI ved -1 dag, 1, og 3. Bevacizumab ble utført av to injeksjoner av 20 mg / kg på dag 0 og 2.
Figur 2. (A) In vivo CLI og PET-bilder av mus peiling H460 xenografter behandlet med bevacizumab før behandling (pre-scan) og etter behandling (dag 3). (B) Tilsvarende kvantitativ analyse av CLI og PET resultater (n = 3) og deres korrelasjoner. Bilder tilpasset fra (6).e.jpg "target =" _blank "> Klikk her for å se større figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
CLI fremstår som en lovende molekylær imaging teknikken som har funnet potensialer i mange grunnleggende vitenskap forskning programmer og selv klinisk bruk 2,3,9. De store fordelene med CLI fremfor tradisjonelle kjernefysiske bildediagnostikk som PET stammer fra bruken av OI instrumenter, som er enklere å bruke, preget av korte oppkjøp tid og høy gjennomstrømning, betydelig rimeligere og mer allment tilgjengelig for forskere. I tillegg er hva setter CLI bortsett fra OI generelt er bruken av β-utslipp merket molekyler som bildebehandling sonder, hvorav mange har blitt godkjent av Food and Drug Administration (FDA), i motsetning til tradisjonelle OI agenter. Med disse unike og ønskelig kvaliteter, har CLI raskt fått oppmerksomhet fra innen molekylær avbilding. Likevel sine potensialer i prekliniske og kliniske applikasjoner er ennå ikke fullt ut undersøkt.
Kreftterapi overvåking er ett av områdene hvor CLI kan ha noen betydelig nytte. Det er et svært viktig område som er nøkkelen til probe utvikling, narkotika screening, og selv skreddersy kreftbehandling for pasienter. Foreløpig er preklinisk kreftbehandling overvåking utført nesten utelukkende via kjernefysiske bildediagnostikk som PET. Derfor CLI gir en svært attraktivt alternativ til PET, særlig gitt at det er en utmerket sammenheng mellom CLI og PET-bilder. Ennå, ligger en annen fordel av CLI for terapi overvåking i det faktum at CLI kan bildet ikke bare β +-emittere, men også β - emittere som 32 P, 90 Y og 131 I, som alle er klinisk relevante.
Imidlertid er CLI ikke uten feil. Avhengigheten OI instrumenter tilsier at CLI lider noen mangler som er iboende til optisk avbildning som signal demping og spredning i levende vev. Videre, den spesielle spekteret av CR ogsåresulterer i begrenset signal intensitet og senere, jo dypere signalet fra kroppsoverflaten, jo lavere følsomhet, og jo dårligere kvantifisering evne 4. Men mens manglene kan ses å være betydelig, kan man i stor grad unngå disse hindringer preklinisk forskning ved å ansette små dyr som mus. Enda viktigere, er det minst et par av kliniske områder som kan potensielt ha nytte CLI kreftterapi overvåking. Overvåking overfladiske sykdom enheter som dermatologiske inflammatoriske tilstander og kreft kan tjene som et godt eksempel. Videre sykdom enheter som er dypt men tilgjengelig med charge-coupled device eller fiberoptiske teknikker kan bruke utmerket følsomhet og kvantifisering evnen CLI også. Enda en spennende mulighet ligger i å bruke CLI å hjelpe kirurger få anatomiske og funksjonelle informasjon om svulster i operasjonsstuen. To nylig proof-of-concept studier have demonstrert deteksjon og fjerning av svulster i mus med intraoperativ image veiledning takket være CLI 10.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklært.
Acknowledgments
Vi erkjenner støtte fra National Cancer Institute (NCI) R01 CA128908 og Stanford Medical Scholar Research Fellowship. Ingen andre potensielle interessekonflikter relevant for denne artikkelen ble rapportert.
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. Molecular imaging. Radiology. 219 (2), 316 (2001).
- 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. Bevacizumab. Nat. Rev. Drug Discov. , Suppl S8. (2005).
- 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).
