Mesures spatiales de Perfusion, la pression du liquide interstitiel et Liposomes Accumulation dans Solid Tumors
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
L'accumulation intra-tumorale hétérogène de liposomes est un facteur déterminant de leur efficacité. Tant la microcirculation tumorale chaotique et élevée IFP sont liés à la distribution intra-tumorale hétérogène de systèmes de délivrance de médicaments basés sur les nanotechnologies comme les liposomes. Dans la présente étude, la relation entre la microcirculation de la tumeur, l' IFP élevée, et l' accumulation des nanoparticules a été étudiée par expérimentation in vivo. Cela a été accompli par l'évaluation de la microcirculation de la tumeur à l'aide de contraste dynamique améliorée tomodensitométrie (DCE-CT) et la mesure de l'IFP de la tumeur en utilisant un nouveau système de placement aiguille robotique guidée par l'image connectée au scanner micro-CT. L'accumulation intra-tumorale des liposomes a été déterminée par une évaluation d'une formulation liposomale de nanoparticules qui encapsule de façon stable l'iohexol d'agent de contraste (CT-liposomes) à base d'image TDM. imagerie CT a permis de co-localisation de la distribution spatiale deshémodynamique tumorales, l'IFP et l'accumulation CT-liposomes dans un modèle de xénogreffe sous-cutanée de souris individuelle du cancer du sein. Les mesures ont conduit à la découverte que la perfusion et la fraction volumique du plasma sont de puissants médiateurs de la distribution intra-tumorale des liposomes. De plus, les résultats suggèrent que l'IFP joue un rôle indirect dans la médiation de la distribution de liposomes grâce à la modulation du débit sanguin.
Introduction
La mesure de l'accumulation intra-tumorale des systèmes de délivrance de médicaments nanoparticulaires peut être un outil important pour déterminer si une concentration adéquate du médicament cytotoxique a été atteint à l'intérieur de la tumeur. Le développement de systèmes liposomiques " l' image-mesure" permet non invasive et quantitative in vivo de détection du véhicule de délivrance de médicaments en utilisant des modalités d'imagerie telles que la tomographie par émission de positons (PET) 1, la fluorescence optique 2, et la tomodensitométrie (CT) 3, 4 et l' imagerie par résonance magnétique (IRM) 5. L' imagerie a été utilisée pour déterminer la pharmacocinétique et la biodistribution des systèmes de délivrance de liposomes et de révéler le degré d'hétérogénéité inter-sujets et intra-tumorale de l'accumulation des nanoparticules 6,7. Cependant, l'imagerie de nanoparticules seule ne permet pas d'identifier les barrières biologiques qui ont contribué à leur faible accumulation et la distribution. Cette connaissance est primordiale pour la rle développement ational des formulations plus efficaces, et les stratégies visant à améliorer l' accumulation intra-tumorale 8. Il a été démontré que les stratégies thérapeutiques peuvent être appliqués pour moduler les barrières biologiques spécifiques , résultant en l' amélioration du transport des nanoparticules 9. En outre, les formulations de nanoparticules ont été développées spécifiquement pour surmonter la barrière de transport 10 biologique spécifique. Dans les deux scénarios, les mesures des barrières biologiques pourraient être utilisés pour guider l'utilisation d'une stratégie de distribution de médicament nanoparticulaire approprié.
Tumeur microcirculation et l' IFP élevée sont considérés comme deux déterminants clés de l'accumulation intra-tumorale des nanoparticules, telles que des liposomes, dans les tumeurs solides 9,11. Cependant, d' autres obstacles qui contribuent à la mauvaise accumulation de liposomes comprennent une matrice extracellulaire dense, vasculature imperméable, et la pression de tissu solide 12. Ces obstacles sont liés dans une spatio-temporelleAinsi, avec le flux sanguin anormal et la pression du liquide interstitiel élevée étant deux facteurs importants de conduite de la livraison initiale et extravasation de nanoparticules. Tel que discuté précédemment, en établissant la relation entre la microcirculation de la tumeur, l'IFP élevée, et l'accumulation intra-tumorale des liposomes est indispensable pour une interprétation correcte des données d'imagerie de liposomes. Ici, des méthodes quantitatives pour mesurer la relation entre la microcirculation de la tumeur, l'IFP élevée, et l'accumulation des nanoparticules dans une tumeur solide sont présentés. Ceci est accompli en effectuant des mesures de co-localisé de la distribution intra-tumorale d'un agent de contraste liposomique CT en utilisant l'imagerie CT volumétrique, la microcirculation de la tumeur en utilisant le contraste dynamique améliorée imagerie par tomographie assistée par ordinateur, et l'IFP de la tumeur à l'aide d'un système de positionnement d'aiguille robotisée guidée par l'image, appelée le robot CT-13 IFP.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les méthodes de mesure à base d'images présentées ici permettent la détermination de la distribution spatiale des propriétés de la microcirculation de la tumeur, l'IFP et l'accumulation CT-liposome. Les tentatives précédentes pour rapporter ces propriétés se sont appuyés sur la réalisation de mesures en vrac à travers les animaux porteurs de tumeurs multiples et manquent donc de la sensibilité pour élucider les mécanismes responsables de l' hétérogénéité de l'accumulation intra-…
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).
