Romlig Målinger av Perfusjons, interstitiell væsketrykk og liposomer akkumulering 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 intra-tumoral akkumulering av liposomer er en kritisk determinant for deres effektivitet. Både den kaotiske tumor mikrosirkulasjonen og forhøyet IFP er knyttet til den heterogene intra-tumoral fordeling av nanoteknologi baserte medikamentleveringssystemer, for eksempel liposomer. I denne studien ble forholdet mellom svulsten mikrosirkulasjonen, forhøyet IFP, og akkumulering av nanopartikler undersøkt gjennom in vivo eksperimentering. Dette ble oppnådd ved evaluering av svulsten mikrosirkulasjonen ved hjelp av dynamisk kontrastforsterket computertomografi (DCE-CT) og måling av tumor IFP anvendelse av en ny bildestyrt robot nål plasseringssystem som er koblet til mikro-CT-skanner. Den intra-tumoral akkumuleringen av liposomer ble bestemt ved CT-bildebaserte vurdering av et nanopartikkel liposomal formulering som stabilt kapsle kontrastmidlet iohexol (CT-liposomer). CT-avbildning er tillatt for ko-lokalisering av den romlige fordelingen avtumor hemodynamikk, IFP og CT-liposom-akkumulering i en enkelt subkutan xenograft musemodell for brystkreft. Målinger har ført til den erkjennelse at perfusjon og plasmavolumfraksjon er sterke mediatorer av den intra-tumoral distribusjonen av liposomer. Videre tyder disse resultatene på at IFP spiller en indirekte rolle i mediering liposom-distribusjonen gjennom modulering av blodstrømmen.
Introduction
Måling av intra-tumoral akkumulering av nanopartikkel medikamentleveringssystemer kan tilveiebringe et viktig verktøy for å finne ut om en tilstrekkelig konsentrasjon av cytotoksiske legemiddel har blitt oppnådd i løpet av tumoren. Utviklingen av "image-stand" liposomale systemer gjør det mulig for ikke-invasiv og kvantitativ in vivo deteksjon av medikamentavgivelse kjøretøyet ved hjelp av bildediagnostikk eksempel positronemisjonstomografi (PET) en optisk fluorescens 2, og computertomografi (CT) 3, 4 og magnetic resonance imaging (MRI) 5. Imaging har vært brukt for å bestemme farmakokinetikk og biofordeling av liposom-leveringssystemer, og for å avsløre graden av interindividuell og intra-tumoral heterogenitet i nanopartikkel akkumulering 6,7. Men avbildning av nanopartikler alene ikke identifiserer de biologiske barrierer som har bidratt til deres dårlige akkumulering og distribusjon. Denne kunnskapen er viktig for å rational utvikling av mer effektive formuleringer, og strategier for å forbedre intra-tumor opphopning 8. Det har blitt demonstrert at terapeutiske strategier kan anvendes for å modulere spesifikk biologiske barrierer som resulterer i forbedret nanopartikkel transport 9. I tillegg er nanopartikkelformuleringer blitt utviklet spesielt for å overvinne spesifikk biologisk transport barriere 10. I begge tilfellene, kan målinger av biologiske barrierer anvendes for å styre bruken av en passende nanopartikkel medikamentavgivelses strategi.
Tumor mikrosirkulasjonen og forhøyet IFP er antatt å være to viktige faktorer som bestemmer den intra-tumoral akkumulering av nanopartikler, slik som liposomer, i faste tumorer 9,11. Men andre barrierer som å bidra til dårlig liposom opphopning inkluderer tett ekstracellulære matrise, ugjennomtrengelig blodkar, og trykket 12 solid vev. Disse barrierene er relatert på et rom-tidmåte, med unormal blodstrøm og forhøyet interstitiell væske trykket er to viktige faktorer som driver den første leveringen og bloduttredelse av nanopartikler. Som tidligere omtalt, å etablere forholdet mellom tumoren mikrosirkulasjonen, forhøyet IFP, og den intra-tumoral akkumulering av liposomer som er viktig for riktig tolkning av liposom-bildedata. Heri kvantitative metoder for å måle forholdet mellom tumoren mikrosirkulasjonen, forhøyet IFP, og nanopartikkel-akkumulering i en fast tumor er presentert. Dette oppnås ved å utføre ko-lokaliserte målinger av intra-tumoral fordeling av et CT-liposom-kontrastmiddel ved bruk av volumetrisk CT-avbildning, tumor mikrosirkulasjonen ved hjelp av dynamisk kontrastforsterket computertomografi avbildning, og tumor IFP ved hjelp av et bildestyrt robot nål posisjoneringssystem, betegnes CT-IFP robot 13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metodene for bildebasert måling presentert her muliggjøre bestemmelse av den romlige fordelingen av tumormikrosirkulasjon egenskaper, IFP, og CT-liposom-akkumulering. Tidligere forsøk på å relatere disse egenskapene har stolt på å utføre bulk målinger over flere tumorbærende dyr og derfor mangler følsomhet å belyse mekanismene som er ansvarlig for heterogenitet i intra-tumor opphopning som ofte har blitt observert i nanostørrelse stoffet leveringssystemer 15. DCE-CT gir et verktøy for å måle i…
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).
