القياسات المكانية للالإرواء، الخلالي الضغط السائل والليبوزومات تراكم في الأورام الصلبة
Summary
The heterogeneous intra-tumoral accumulation of liposomes has been linked to an abnormal tumor microenvironment. Herein methods are presented to measure tumor microcirculation by perfusion imaging and elevated interstitial fluid pressure (IFP) using an image-guided robotic system. Measurements are compared to the intra-tumoral accumulation of liposomes, determined using volumetric micro-CT imaging.
Abstract
تراكم غير متجانسة داخل ورمي من الجسيمات الشحمية هو عامل حاسم من فعاليتها. وترتبط كل من دوران الأوعية الدقيقة الورم الفوضى ورفع IFP للتوزيع داخل ورمي غير متجانسة من أنظمة توصيل الدواء القائمة على تكنولوجيا النانو مثل الجسيمات الشحمية. في هذه الدراسة، تم التحقيق العلاقة بين دوران الأوعية الدقيقة الورم، IFP مرتفعة، وتراكم الجسيمات النانوية من خلال في الجسم الحي التجريب. وقد تحقق ذلك من خلال تقييم دوران الأوعية الدقيقة الورم باستخدام تباين ديناميكية معززة التصوير المقطعي (DCE-CT) وقياس IFP الورم باستخدام نظام إبرة الروبوتية صورة موجهة رواية التنسيب متصلا الماسح الصغير-CT. تم تحديد تراكم داخل ورمي من الجسيمات الشحمية التي كتبها التقييم المستندة إلى الصور المقطعية للصياغة liposomal جسيمات متناهية الصغر التي تغلف مستقر وiohexol عامل تباين (CT-الجسيمات الشحمية). CT التصوير يسمح للمشاركة في توطين التوزيع المكاني للديناميكا الدم السرطانية، IFP وتراكم CT-الحويصلية في نموذج طعم أجنبي الماوس تحت الجلد الفردية من سرطان الثدي. أدت القياسات إلى اكتشاف أن نضح وحجم البلازما جزء وسطاء قوية للتوزيع داخل ورمي من الجسيمات الشحمية. وعلاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن IFP يلعب دورا غير مباشر في التوسط توزيع الحويصلية من خلال تحوير تدفق الدم.
Introduction
قياس تراكم داخل ورمي نظم تسليم المخدرات جسيمات متناهية الصغر يمكن أن توفر أداة هامة لتحديد ما إذا كان قد تحقق تركيز كاف من المخدرات السامة للخلايا داخل الورم. تطوير نظم liposomal "صورة قادرة" تسمح لغير الغازية والكمي في الجسم الحي الكشف عن سيارة لتوصيل الدواء باستخدام طرائق التصوير مثل التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET) 1، مضان البصرية 2، والتصوير المقطعي (CT) 3، (4) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) 5. وقد استخدم التصوير لتحديد الدوائية وbiodistribution أنظمة توصيل الحويصلية والكشف عن مدى التجانس بين الموضوع وداخل ورمي في تراكم جسيمات متناهية الصغر 6،7. ومع ذلك، والتصوير الجسيمات النانوية وحدها لا تحدد الحواجز البيولوجية التي ساهمت في ضعف التراكم وتوزيعها. هذه المعرفة أمر بالغ الأهمية لصتطوير الاقلية البرلمانية من الصيغ أكثر فاعلية، واستراتيجيات لتحسين تراكم داخل ورمي 8. وقد ثبت أن استراتيجيات علاجية يمكن تطبيقها لتعديل الحواجز البيولوجية المحددة مما أدى الى تحسين النقل جسيمات متناهية الصغر 9. بالإضافة إلى ذلك، تم تطوير الصيغ جسيمات متناهية الصغر للتغلب على وجه التحديد الحاجز النقل بيولوجية معينة (10). في كلتا الحالتين، والقياسات الحواجز البيولوجية يمكن أن تستخدم لتوجيه استخدام استراتيجية مناسبة تسليم المخدرات جسيمات متناهية الصغر.
ويعتقد أن دوران الأوعية الدقيقة الورم وارتفاع IFP أن اثنين من المحددات الرئيسية لتراكم داخل ورمي النانوية، مثل الجسيمات الشحمية، في الأورام الصلبة 9،11. ومع ذلك، والحواجز الأخرى التي لتساهم في تراكم الحويصلية الفقراء وتشمل مصفوفة كثيفة خارج الخلية، الأوعية الدموية غير منفذة، وضغط الأنسجة الصلبة 12. وترتبط هذه الحواجز في والزمانية المكانيةالطريقة، مع تدفق الدم غير طبيعي وارتفاع ضغط السائل الخلالي يجري عاملين مهمين القيادة التسليم المبدئي والتسرب من الجسيمات النانوية. كما نوقش سابقا، وتحدد العلاقة بين دوران الأوعية الدقيقة الورم، IFP مرتفعة، وتراكم داخل ورمي من الجسيمات الشحمية لا بد للتفسير السليم للبيانات الحويصلية التصوير. هنا الأساليب الكمية لقياس العلاقة بين دوران الأوعية الدقيقة الورم، IFP مرتفعة، وتراكم جسيمات متناهية الصغر في الأورام الصلبة يتم عرض. يتم ذلك عن طريق إجراء القياسات المحلية المشتركة للتوزيع داخل ورمي من وكيل الحويصلية النقيض CT باستخدام التصوير الحجمي CT، دوران الأوعية الدقيقة الورم باستخدام تباين ديناميكية تعزيز حسابها التصوير المقطعي، وورم IFP باستخدام الروبوت نظام إبرة المواقع الموجهة الصورة، ووصف الروبوت CT-IFP 13.
Protocol
Representative Results
Discussion
أساليب لقياس الصورة القائمة المقدمة هنا تمكن تحديد التوزيع المكاني للخصائص الورم دوران الأوعية الدقيقة، IFP، وتراكم CT-الحويصلية. وقد اعتمدت المحاولات السابقة لربط هذه الخصائص على أداء قياسات السائبة عبر عدة الحيوانات الحاملة للورم، وبالتالي تفتقر إلى الحساسية لتوض…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to thank Dr. Javed Mahmood for assistance with culturing MDA-MB-231 cells and implanting the MDA-MB-231 xenografts, Linyu Fan for preparing the CT-liposomes. Shawn Stapleton is grateful for funding from the Natural Sciences and Engineering Research Postgraduate Scholarships Program and the Terry Fox Foundation Strategic Initiative for Excellence in Radiation Research for the 21st Century (EIRR21) at CIHR. This study was supported by grants from the Terry Fox New Frontiers Program (020005) and the Canadian Institutes of Health Research (102569).
Materials
| MDA-MB-231 metastatic breast adenocarcinoma tumor cells | ATCC | HTB-26 | |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Life Technologies | 11965-092 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Sigma-Aldrich | F1051 | |
| HyClone Penicillin-Streptomycin 100x Solution | GE Healthcare Life Sciences | SV30010 | |
| Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red | ThermoFisher Scientific | 25300-054 | |
| 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) | Avanti Lipids Inc., USA | 850355P | |
| Cholesterol (CH) | Avanti Lipids Inc., USA | 700000P | |
| 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-poly(ethylene glycol) 2000 (DSPE-PEG2000) | Avanti Lipids Inc., USA | 880128P | |
| Omnipaque (Iohexol) 300 mg of iodine/mL | GE Healthcare, CA | ||
| 80 nm pore size Track-Etch polycarbonate membranes | Whatman Inc., USA | ||
| 200 nm pore size Track-Etch polycarbonate membranes | Whatman Inc., USA | ||
| 10 mL Lipex Extruder | Nothern Lipids Inc, CA | ||
| Dialysis Bag Molecular Weight Cut Off (MWCO) of 8 kDa | Spectrum Labs, USA | ||
| 750,000 Nomical Molecular Weight Cut Off (NMWC) Tangential flow column | MidGee ultrafiltration cartridge, GE Healthcare, CA | ||
| Peristaltic pump | Watson Marlow Inc., USA | ||
| UV spectrometer | Helios γ, Spectronic Unicam, USA | ||
| 90Plus particle size analyzer | Brookhaven, Holtsville, USA | ||
| eXplore Locus Ultra micro-CT system | GE Healthcare, CA | Manipulated using CT-Console Software | |
| AxRecon GPU-based Reconstruction | Acceleware Corp. CA | ||
| 27G Catheter SURFLO Winged Infusion Set | Terumo Medical Products, USA | SV*27EL | |
| PE20 polyethylyne tubing | Becton Dickinson, USA | 427406 | |
| Pen tip 25G × 3.5′′ Whitacre spinal needle | Becton Dickinson, USA | 405140 | IFP needle |
| P23XL pressure transducer | Harvard Apparatus, CA | P23XL | |
| PowerLab 4/35, Bridge Amp, with LabChart Pro 7.0 | ADInstruments Pty Ltd., USA | PL3504, FE221 | IFP acquisition system and acquisition software |
| CT-Sabre Small Animall Intervention system (CT-IFP Robot) | Parallax Innovations, CA | Manipulated using CT-IFP robot Control Software | |
| CT-IFP robot alignment software | Custom Matlab software | ||
| DCE-CT Analysis Software | Custom Matlab software | ||
| Matlab 2013b | Mathworks, USA |
References
- Seo, J. W., Zhang, H., Kukis, D. L., Meares, C. F., Ferrara, K. W. A novel method to label preformed liposomes with 64Cu for positron emission tomography (PET) imaging. Bioconjugate chemistry. 19 (12), 2577-2584 (2008).
- Huang, H., Dunne, M., Lo, J., Jaffray, D., Allen, C. Comparison of Computed Tomography- and Optical Image-Based Assessment of Liposome Distribution. Molecular Imaging. 12 (3), 148-160 (2013).
- Stapleton, S., et al. A mathematical model of the enhanced permeability and retention effect for liposome transport in solid tumors. PloS one. 8 (12), e81157 (2013).
- Zheng, J., et al. A multimodal nano agent for image-guided cancer surgery. Biomaterials. 67, 160-168 (2015).
- Zheng, J., Liu, J., Dunne, M., Jaffray, D. A., Allen, C. In vivo performance of a liposomal vascular contrast agent for CT and MR-based image guidance applications. Pharmaceutical research. 24 (6), 1193-1201 (2007).
- Harrington, K. J., et al. Effective targeting of solid tumors in patients with locally advanced cancers by radiolabeled pegylated liposomes. Clinical Cancer Research. 7 (2), 243-254 (2001).
- Stapleton, S., Allen, C., Pintilie, M., Jaffray, D. A. Tumor perfusion imaging predicts the intra-tumoral accumulation of liposomes. J Control Release. 172 (1), 351-357 (2013).
- Lammers, T., Kiessling, F., Hennink, W. E., Storm, G. Nanotheranostics and image-guided drug delivery: current concepts and future directions. Mol. Pharm. 7, 1899-1912 (2010).
- Stapleton, S., Milosevic, M. F. . Cancer Targeted Drug Delivery. , 241-272 (2013).
- Blanco, E., Shen, H., Ferrari, M. Principles of nanoparticle design for overcoming biological barriers to drug delivery. Nature biotechnology. 33 (9), 941-951 (2015).
- Heldin, C. H., Rubin, K., Pietras, K., Ostman, A. High interstitial fluid pressure – an obstacle in cancer therapy. Nat Rev Cancer. 4 (10), 806-813 (2004).
- Chauhan, V. P., Stylianopoulos, T., Boucher, Y., Jain, R. K. Delivery of molecular and nanoscale medicine to tumors: transport barriers and strategies. Annual review of chemical and biomolecular engineering. 2, 281-298 (2011).
- Bax, J. S., et al. 3D image-guided robotic needle positioning system for small animal interventions. Medical physics. 40 (1), 011909 (2013).
- Stapleton, S., Milosevic, M., Tannock, I. F., Allen, C., Jaffray, D. A. The intra-tumoral relationship between microcirculation, interstitial fluid pressure and liposome accumulation. Journal of Controlled Release. 211, 163-170 (2015).
- Stapleton, S., Allen, C., Pintilie, M., Jaffray, D. A. Tumor perfusion imaging predicts the intra-tumoral accumulation of liposomes. J Control Release. 172 (1), 351-357 (2013).
- Brix, G., Zwick, S., Kiessling, F., Griebel, J. Pharmacokinetic analysis of tissue microcirculation using nested models: multimodel inference and parameter identifiability. Medical physics. 36 (7), 2923-2933 (2009).
- Brix, G., Griebel, J., Kiessling, F., Wenz, F. Tracer kinetic modelling of tumour angiogenesis based on dynamic contrast-enhanced CT and MRI measurements. European journal of nuclear medicine and molecular imaging. 37 (1), 30-51 (2010).
