Las mediciones espaciales de perfusión, presión del fluido intersticial y liposomas acumulación en tumores sólidos
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
La acumulación intra-tumoral heterogénea de liposomas es un determinante crítico de su eficacia. Tanto la microcirculación tumor caótica y elevado IFP están vinculados a la distribución heterogénea intra-tumoral de los sistemas de administración de fármacos basados en la nanotecnología, tales como liposomas. En el presente estudio, la relación entre la microcirculación del tumor, IFP elevada, y la acumulación de las nanopartículas se investigó mediante la experimentación in vivo. Esto se logró mediante la evaluación de la microcirculación del tumor usando contraste dinámico mejorado tomografía computarizada (DCE-CT) y la medición de IFP tumor utilizando un nuevo sistema de colocación de la aguja robótica guiada por imagen conectado al escáner micro-CT. La acumulación intra-tumoral de los liposomas se determinó mediante una evaluación basada en imágenes CT de una formulación liposomal de nanopartículas que encapsulan de forma estable el agente de contraste iohexol (CT-liposomas). de formación de imágenes CT permite para co-localización de la distribución espacial dehemodinámica tumorales, IFP y la acumulación CT-liposoma en un modelo de ratón con xenoinjerto subcutáneo individual de cáncer de mama. Medidas condujeron al descubrimiento de que la perfusión y la fracción de volumen de plasma son fuertes mediadores de la distribución intra-tumoral de los liposomas. Además, los resultados sugieren que IFP juega un papel indirecto en la mediación de distribución de liposomas a través de la modulación de flujo de sangre.
Introduction
La medición de la acumulación intra-tumoral de los sistemas de administración de fármacos de nanopartículas puede proporcionar una herramienta importante para determinar si una concentración adecuada de fármaco citotóxico se ha alcanzado dentro del tumor. El desarrollo de sistemas de liposomas "imagen-poder" permite no invasiva y cuantitativa in vivo de detección del vehículo de suministro de fármacos usando técnicas de imagen como la tomografía por emisión de positrones (PET) 1, fluorescencia óptica 2, y la tomografía computarizada (TC) 3, 4 y la resonancia magnética (MRI) 5. Imaging se ha utilizado para determinar la farmacocinética y la biodistribución de los sistemas de liberación de liposomas y para revelar el grado de heterogeneidad inter-sujeto y intra-tumoral en la acumulación de nanopartículas 6,7. Sin embargo, las imágenes de las nanopartículas por sí sola no identifica las barreras biológicas que han contribuido a su mala acumulación y distribución. Este conocimiento es de suma importancia para la racional el desarrollo de formulaciones más eficaces y estrategias para mejorar la acumulación intra-tumoral 8. Se ha demostrado que las estrategias terapéuticas se pueden aplicar para modular barreras biológicas específicas que resulta en la mejora del transporte de nanopartículas 9. Además, las formulaciones de nanopartículas se han desarrollado para superar específicamente específico barrera biológica de transporte 10. En ambos escenarios, las mediciones de barreras biológicas podrían ser usados para guiar el uso de una estrategia de administración de fármacos de nanopartículas apropiado.
Microcirculación del tumor y elevada IFP se cree que son dos determinantes principales de la acumulación intra-tumoral de nanopartículas, tales como liposomas, en tumores sólidos 9,11. Sin embargo, otras barreras que contribuyen a la mala a la acumulación de liposomas incluyen una densa matriz extracelular, vasculatura impermeable, y la presión de tejido sólido 12. Estas barreras se relacionan en un espacio-temporalmanera, con el flujo sanguíneo anormal y la presión del fluido intersticial elevada siendo dos factores importantes que impulsan la entrega inicial y la extravasación de las nanopartículas. Como se discutió previamente, el establecimiento de la relación entre la microcirculación del tumor, IFP elevada, y la acumulación intra-tumoral de los liposomas es imprescindible para la interpretación adecuada de los datos de imagen de los liposomas. En este documento métodos cuantitativos para medir la relación entre la microcirculación del tumor, IFP elevada, y la acumulación de nanopartículas en un tumor sólido, se presentan. Esto se logra mediante la realización de mediciones de co-localizada de la distribución intra-tumoral de un agente de liposoma contraste CT utilizando imágenes de CT volumétrica, la microcirculación tumor usando contraste dinámico mejorado de formación de imágenes de tomografía computarizada, y IFP tumor usando un sistema de posicionamiento de la aguja robótica guiada por imagen, denominado el robot CT-13 IFP.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los métodos para la medición basada en imágenes presentadas en este documento permiten la determinación de la distribución espacial de las propiedades de la microcirculación del tumor, IFP, y la acumulación CT-liposoma. Los anteriores intentos de relacionar estas propiedades se han basado en la realización de mediciones a granel a través de múltiples animales portadores de tumores y por lo tanto carecen de la sensibilidad a dilucidar los mecanismos responsables de la heterogeneidad en la acumulación intra-tum…
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
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