Rumlige Målinger af Perfusion, interstitiel væske tryk og liposomer Ophobning i solide tumorer
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
Den heterogene intratumoral akkumulering af liposomer er en kritisk faktor for deres effektivitet. Både den kaotiske tumor mikrocirkulationen og forhøjede IFP er knyttet til den heterogene intratumoral fordeling af nanoteknologi-baserede drug delivery systemer såsom liposomer. I nærværende undersøgelse blev forholdet mellem tumor mikrocirkulationen, forhøjet IFP, og akkumulering af nanopartikler undersøgt gennem in vivo eksperimenter. Dette blev udført ved evaluering af tumoren mikrocirkulationen bruge dynamisk kontrastforbedret computertomografi (DCE-CT) og måling af tumor IFP anvendelse af en hidtil ukendt billede-guided robot nåleplacering system tilsluttet mikro-CT-scanner. Den intratumoral ophobning af liposomer blev bestemt ved CT-billede-vurdering af en nanopartikel liposomal formulering, der stabilt indkapsle kontrastmidlet iohexol (CT-liposomer). CT scanning tilladt for co-lokalisering af den rumlige fordeling aftumor hæmodynamik, IFP og CT-liposom akkumulering i en individuel subkutan xenotransplantat musemodel for brystkræft. Målinger førte til den opdagelse, at perfusion og fraktion plasmavolumen er stærke mediatorer af intratumoral fordeling af liposomer. Endvidere tyder resultaterne på, at IFP spiller en indirekte rolle i mediering liposom distribution gennem modulering blodgennemstrømning.
Introduction
Måling af intratumoral ophobning af nanopartiklers lægemiddeltilførselssystemer kan tilvejebringe et vigtigt redskab til at afgøre, om en tilstrækkelig koncentration af cytotoksisk lægemiddel er opnået inden tumoren. Udviklingen af "billed-stand" liposomale systemer giver mulighed for ikke-invasiv og kvantitativ in vivo detektion af afgivelsesenheden køretøjet ved hjælp billeddannende modaliteter såsom positronemissionstomografi (PET) 1, optisk fluorescens 2, og computertomografi (CT) 3, 4 og magnetisk resonans imaging (MRI) 5. Imaging er blevet anvendt til at bestemme farmakokinetikken og biofordeling af liposomafgivelsessystemer og at vise omfanget af inter-subjekt og intratumoral heterogenitet i nanopartikel akkumulering 6,7. Men billeddannelse af nanopartikler alene ikke identificere de biologiske barrierer, der har bidraget til deres dårlige ophobning og distribution. Denne viden er altafgørende for rational udvikling af mere effektive formuleringer, og strategier til at forbedre intratumoral akkumulation 8. Det er blevet påvist, at terapeutiske strategier kan anvendes til at modulere specifikke biologiske barrierer resulterer i forbedret nanopartikel transport 9. Derudover er der udviklet nanopartikel formuleringer til specifikt overvinde specifik biologisk transport barriere 10. I begge scenarier, kunne målinger af biologiske barrierer bruges til at styre brugen af en passende nanopartikel drug delivery-strategi.
Tumor mikrocirkulationen og forhøjet IFP menes at være to centrale determinanter for den intratumoral ophobning af nanopartikler, såsom liposomer, i solide tumorer 9,11. Men andre barrierer, der kan bidrage til dårlig liposom ophobning omfatter en tæt ekstracellulær matrix, uigennemtrængelige kar, og fast væv pres 12. Disse barrierer er relateret i en spatio-temporalemåde med unormal blodgennemstrømning og forhøjet interstitielt fluid tryk er to vigtige faktorer for første levering og ekstravasation af nanopartikler. Som tidligere beskrevet er afgørende for korrekt fortolkning af liposom billeddata etablere et forhold mellem tumor mikrocirkulationen, høj IFP, og den intratumoral akkumulering af liposomer. Heri kvantitative metoder til at måle forholdet mellem tumor mikrocirkulationen, høj IFP, og nanopartikel-akkumulering i en fast tumor præsenteres. Dette opnås ved at udføre co-lokaliserede målinger af intratumoral fordeling af en CT liposom kontrastmiddel hjælp volumetrisk CT billeddannelse, tumor mikrocirkulationen bruge dynamisk kontrastforbedret computertomografi billeddannelse, og tumor IFP med billedbærer-guided robot nål positioneringssystem, betegnet CT-IFP robot 13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoderne til billedbaseret måling præsenteret heri muliggøre bestemmelse af den rumlige fordeling af tumor microcirculation egenskaber, IFP, og CT-liposom akkumulation. Tidligere forsøg på at relatere disse egenskaber har påberåbt sig at udføre bulk-målinger på tværs af flere tumor-bærende dyr og mangler derfor følsomheden at belyse mekanismer der er ansvarlige for heterogenitet i intratumoral akkumulation, der almindeligvis blevet observeret for nanostørrelse lægemiddelafgivelsessystemer 15. …
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).
