Ruimtelijke Metingen van perfusie, interstitiële vloeistof druk en liposomen accumulatie in solide tumoren
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
De heterogene intratumorale accumulatie van liposomen is een belangrijke determinant van hun werkzaamheid. Zowel de chaotische tumor microcirculatie en verhoogde IFP verband houden met de heterogene intratumorale verdeling van nanotechnologie gebaseerde geneesmiddelafgiftesystemen zoals liposomen. In deze studie, de relatie tussen tumor microcirculatie, verhoogde IFP en accumulatie van nanodeeltjes werd onderzocht door middel van in vivo experimenten. Dit werd bereikt door evaluatie van de tumor microcirculatie met behulp van dynamische contrast versterkte computertomografie (DCE-CT) en meting van de tumor IFP met behulp van een nieuwe beeldgeleide robotic plaatsing van de naald dat is aangesloten op de micro-CT-scanner. De intra-tumorale accumulatie van liposomen werd bepaald door CT image-gebaseerde beoordeling van een nanodeeltje liposomale formulering die stabiel te kapselen het contrastmiddel johexol (CT-liposomen). CT beeldvorming termijn voor co-lokalisatie van de ruimtelijke verdeling vantumor hemodynamica, IFP en CT-liposoom accumulatie per individuele subcutane xenograft muismodel van borstkanker. Metingen leidde tot de ontdekking dat perfusie en plasmavolume fractie sterk mediatoren van de intratumorale verdeling van liposomen. Bovendien zijn de resultaten suggereren dat IFP speelt een indirecte rol als mediator liposoom distributie via het moduleren van de bloedstroom.
Introduction
Meten van de intratumorale accumulatie van nanodeeltjes geneesmiddelafgiftesystemen kan een belangrijk instrument om te bepalen of een voldoende concentratie van cytotoxische geneesmiddel in de tumor is gehaald. De ontwikkeling van "afbeeldbare" liposomale systemen zorgt voor niet-invasieve en kwantitatieve in vivo detectie van de geneesmiddelafgifte auto met beeldvormingsmodaliteiten zoals positron emissie tomografie (PET) 1, optische fluorescentie 2 en computertomografie (CT) 3, 4 en magnetische resonantie imaging (MRI) 5. Imaging is gebruikt om de farmacokinetica en biodistributie van liposoomafgiftesystemen bepalen en de mate van interindividuele en intratumorale heterogeniteit nanodeeltjes accumulatie 6,7 onthullen. Echter, beeldvorming van nanodeeltjes alleen niet de biologische barrières die hebben bijgedragen aan hun slechte accumulatie en distributie te identificeren. Deze kennis is van cruciaal belang voor de rDe nationale ontwikkeling van meer effectieve formuleringen, en strategieën ter verbetering van de intra-tumorale accumulatie 8. Het is aangetoond dat therapeutische strategieën kunnen worden toegepast op specifieke biologische barrières als gevolg een betere nanodeeltjes transport 9 moduleren. Daarnaast zijn nanodeeltjes formuleringen ontwikkeld om specifiek te overwinnen specifieke biologische transportbarrière 10. In beide scenario's kunnen metingen van biologische barrières worden gebruikt om het gebruik van een geschikte nanodeeltjes geneesmiddelafgifte strategie leiden.
Tumor microcirculatie en verhoogde IFP wordt aangenomen dat twee belangrijke determinanten van de intratumorale accumulatie van nanodeeltjes, zoals liposomen, in vaste tumoren 9,11. Echter, andere barrières die bijdragen aan slechte liposoom accumulatie onder een dichte extracellulaire matrix impermeabel vasculatuur en vast weefsel 12 druk. Deze barrières hebben betrekking op een ruimte-tijdmanier, met abnormale bloedstroom en verhoogde interstitiële vloeistof druk zijn twee belangrijke factoren die de eerste aflevering en extravasatie van nanodeeltjes. Zoals eerder besproken, tot oprichting van de relatie tussen de tumor microcirculatie, verhoogde IFP, en de intra-tumorale accumulatie van liposomen is absoluut noodzakelijk voor een goede interpretatie van de liposoom beeldgegevens. Hierin kwantitatieve methode om de relatie tussen de tumor microcirculatie, verhoogde IFP en nanodeeltjes accumulatie in een vaste tumor gemeten worden. Dit wordt bereikt door het uitvoeren van co-gelokaliseerde metingen van de intratumorale verdeling van een CT liposoom contrastmiddel middels volumetrische CT beeldvorming, tumor microcirculatie middels dynamische contrast versterkte computertomografie beeldvorming en tumor IFP met een beeldgeleide robotic naald positioneringssysteem, genaamd de CT-IFP robot 13.
Protocol
Representative Results
Discussion
De methoden voor het image-gebaseerde meting die hierin mogelijk te maken bepaling van de ruimtelijke verdeling van de tumor microcirculatie eigenschappen, IFP, en CT-liposoom accumulatie. Eerdere pogingen om deze eigenschappen betrekking hebben vertrouwd op het uitvoeren van bulk metingen over meerdere tumor-dragende dieren en dus niet over de gevoeligheid voor mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de heterogeniteit in intra-tumorale accumulatie die vaak is waargenomen voor nano-sized drug delivery systemen 1…
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).
