Rumsliga Mätningar av Perfusion, interstitiell vätsketryck och liposomer ackumulering vid solida tumörer
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 heterogena intratumoral ackumulering av liposomer är en kritisk faktor för deras effektivitet. Både den kaotiska tumörmikrocirkulationen och förhöjda IFP är kopplade till ojämn fördelning intratumoral av nanoteknikbaserade läkemedel leveranssystem, såsom liposomer. I den aktuella studien var sambandet mellan tumörmikrocirkulation, förhöjd IFP, och ackumulering av nanopartiklar undersöktes genom in vivo experiment. Detta åstadkoms genom utvärdering av tumören mikro med dynamisk kontrastförstärkt datortomografi (DCE-CT) och mätning av tumör IFP med hjälp av en ny bildstyrd robot nål placering som är kopplat till mikro datortomografen. Den intratumoral ansamling av liposomer bestämdes genom CT bildbaserad bedömning av en nanopartikel liposomberedning som stabilt kapsla in kontrastmedlet iohexol (CT-liposomer). CT tillåtet för samlokalisering av den geografiska fördelningen avtumör hemodynamik, IFP och CT-liposomer ackumulering i en enskild subkutan xenograft musmodell av bröstcancer. Mätningar har lett till upptäckten att perfusion och plasmavolymandel är starka mediatorer av intratumoral fördelning av liposomer. Vidare tyder resultaten på att IFP spelar en indirekt roll i att förmedla liposomer distribution genom att modulera blodflödet.
Introduction
Mätning av intratumoral ackumulering av nanopartiklar läkemedel leveranssystem kan ge ett viktigt verktyg för att avgöra om en adekvat koncentration av cytotoxiska läkemedel har uppnåtts i tumören. Utvecklingen av "bild-able" liposomala system möjliggör för icke-invasiv och kvantitativ in vivo detektion av läkemedelstillförsel fordonet med avbildningsmetoder, såsom positronemissionstomografi (PET) en, optisk fluorescens 2, och datortomografi (CT) 3, 4 och magnetisk resonanstomografi (MRT) 5. Imaging har använts för att bestämma farmakokinetiken och biodistributionen av liposom leveranssystem och för att avslöja omfattningen av inter-ämne och intratumoral heterogenitet i nanopartiklar ackumulering 6,7. Men avbildning av nanopartiklar enbart identifierar inte de biologiska barriärer som har bidragit till deras dåliga anhopning och distribution. Denna kunskap är avgörande för rationell utveckling av mer effektiva formuleringar och strategier för att förbättra intratumoral ackumulering 8. Det har visats att terapeutiska strategier kan användas för att modulera vissa biologiska barriärer som resulterar i förbättrad nanopartiklar transport 9. Dessutom har nanopartiklar formuleringar utvecklats specifikt övervinna specifika biologiska transport barriär 10. I båda fallen kan mätningar av biologiska hinder användas för att styra användningen av en lämplig nanopartiklar drug delivery strategi.
Tumörmikrocirkulation och förhöjda IFP tros vara två helt avgörande för den intratumoral ackumulering av nanopartiklar, såsom liposomer, i solida tumörer 9,11. Men andra hinder som att bidra till dålig liposomer ackumulering inkluderar en tät extracellulär matris, ogenomtränglig kärl och fast vävnad tryck 12. Dessa hinder är relaterade i en tid och rumsätt, med onormalt blodflöde och förhöjt interstitiell vätsketryck är två viktiga faktorer som driver den första leveransen och extravasering av nanopartiklar. Som tidigare diskuterats, om inrättande av förhållandet mellan tumörmikrocirkulationen, förhöjd IFP och intratumoral ansamling av liposomer är absolut nödvändigt för korrekt tolkning av liposomer bilddata. Häri kvantitativa metoder för att mäta förhållandet mellan tumörmikrocirkulationen, förhöjd IFP, och nanopartiklar ackumulering i en solid tumör presenteras. Detta åstadkoms genom att utföra samlokaliserade mätningar av intratumoral fördelning av en CT-liposom-kontrastmedel enligt volym CT, tumörmikrocirkulation med hjälp av dynamisk kontrastförstärkt datortomografi bildåtergivning, och tumör IFP med hjälp av en bildstyrd robot nål positioneringssystem, benämnd CT-IFP roboten 13.
Protocol
Representative Results
Discussion
Metoderna för bildbaserad mätning som presenteras häri möjliggöra bestämningen av den geografiska fördelningen av tumörmikrocirkulation egenskaper, IFP och CT-liposomer ackumulering. Tidigare försök att relatera dessa egenskaper har förlitat sig på att utföra bulk mätningar över flera tumörbärande djur och saknar därför känsligheten att belysa mekanismer som ansvarar för heterogenitet i ackumulation intratumoral som vanligen har observerats för nanostora läkemedelsleveranssystem 15. DCE…
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).
