מדידות מרחבים של זלוף, לחצו נוזלי ביניים ו ליפוזומים צבירה בגידולים מוצקים
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
הצטברות תוך tumoral הטרוגנית של ליפוזומים היא קובע קריטי של יעילותם. הן מייקרו הגידול כאוטי מוגבה IFP צמודות הפצת תוך tumoral הטרוגנית של מערכות אספקת סמים המבוסס על ננוטכנולוגיה כגון ליפוזומים. במחקר הנוכחי, הקשר בין מיקרו הגידול, IFP גבוהות, וצבירת חלקיקים נחקר באמצעות ניסויים vivo. דבר זה הושג על ידי הערכה של מיקרו הגידול באמצעות ניגודיות דינמי משופר טומוגרפיה ממוחשבת (DCE-CT) ומדידה של IFP הגידול באמצעות מערכת מיקום המחט רובוטית הרומן מונחי תמונה מחובר לסורק מיקרו-CT. הצטברות התוך tumoral של ליפוזומים נקבעה על ידי CT מבוסס תמונת הערכת ניסוח liposomal nanoparticle ביציבות לתמצת את iohexol חומר ניגוד (CT-ליפוזומים). הדמיית CT אפשרה שיתוף לוקליזציה של הפריסה המרחבית שלופרמטרים המודינמיים הגידול, IFP וצבירת CT-ליפוזום במודל העכבר xenograft תת עורית בודדים של סרטן השד. מדידות הובילו לגילוי כי זלוף שברי נפח פלזמה הם מתווכים חזקים של התפלגות התוך tumoral של ליפוזומים. יתר על כן, תוצאות המחקר מצביע בבירור IFP ממלא תפקיד עקיף בתיווך הפצת liposome באמצעות ויסות זרימת דם.
Introduction
מדידת הצטברות תוך tumoral של מערכות אספקת סמי ננו-חלקיקים עשויה לספק כלי חשוב כדי לקבוע אם ריכוז נאות של תרופה ציטוטוקסיות הושג בתוך הגידול. הפיתוח "שניתן להגדיר תמונה" מערכות liposomal מאפשר פולשני כמותית איתור vivo של רכב משלוח סמים באמצעות שיטות הדמיה כגון טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (PET) 1, אופטית קרינה 2, ו טומוגרפיה ממוחשבת (CT) 3, 4 ו דימות בתהודה מגנטית (MRI) 5. הדמיה נעשה שימוש כדי לקבוע את פרמקוקינטיקה biodistribution של מערכות שיגור ליפוזום וכדי לחשוף את היקף ההטרוגניות בין סובייקט התוך tumoral בצבירת nanoparticle 6,7. עם זאת, הדמיה של חלקיקים לבדה אינה לזהות את החסמים הביולוגיים שתרמו ההצטברות וההפצה המסכנות שלהם. ידע זה הוא בעל חשיבות עליונה אל rפיתוח ational של ניסוחים יעילים יותר, ואסטרטגיות לשיפור הצטברות תוך tumoral 8. הוכח כי אסטרטגיות טיפוליות ניתן ליישם לווסת מחסומים ביולוגיים ספציפיים וכתוצאה מכך התחבורה nanoparticle משופרת 9. בנוסף, ניסוחי nanoparticle פותחו כדי להתגבר על מחסום תחבורה ביולוגי ספציפי במיוחד 10. בשני התרחישים, מדידות של מחסומים ביולוגיים יכולות לשמש כדי להנחות את שימוש אסטרטגית משלוח סמי ננו-חלקיקים מתאימה.
מייקרו גידול הגבוה IFP הם האמינו להיות שני גורמי מפתח של הצטברות תוך tumoral של חלקיקים, כגון ליפוזומים, בגידולים מוצקים 9,11. עם זאת, חסמים אחרים לתרום הצטברות ליפוזום עניה כוללים תאי מטריקס צפופה, כלי דם בלתי חדירים, ולחץ רקמה מוצק 12. חסמים אלה קשורים על זמני spatioבאופן, עם זרימת דם לא תקינה ובלחץ נוזל ביניים גבוה להיות שני גורמים חשובים נהיגת המסירה extravasation הראשונית של חלקיקים. כפי שנאמר קודם לכן, הקמת מערכת היחסים בין מייקרו הגידול, IFP הגבוהה, ואת הצטברות תוך tumoral של ליפוזומים הכרחי עבור פרשנות נכונה של נתוני הדמית liposome. בזאת שיטות כמותיות למדוד את הקשר בין מיקרו הגידול, IFP גבוהות, וצבירת ננו-חלקיקים בתוך גידולים מוצקים מוצגים. מטרה זו מושגת על ידי ביצוע מדידות-מקומי שיתוף של הפצה התוך tumoral של חומר ניגוד ליפוזום CT באמצעות הדמיית CT נפחית, מיקרו הגידול באמצעות ניגודיות דינמי משופר הדמיה טומוגרפיה ממוחשבת, ו IFP הגידול באמצעות מערכת מיקום המחט רובוטית מונחי תמונה, כינה 13 רובוט CT-IFP.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטות למדידות מבוסס תמונה המוצגת כאן לאפשר קביעת הפריסה המרחבית של מאפייני מייקרו גידול, IFP, וצבירת CT-liposome. ניסיונות קודמים להתייחס נכסים אלה הסתמכו על ביצוע מדידות בתפזורת על פני בעלי חיים רבים נושאות גידול ולכן הם חסרים את הרגישות להבהיר מנגנוני אחראי ההטרוגניות ?…
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).
