ارتفاع الحرارة الناتج عن الموجات فوق الصوتية المركزة عالية الكثافة الموجهة بالرنين المغناطيسي: طريقة علاج مجدية في نموذج الساركوما العضلية المخططة للفئران
Summary
يظهر هنا بروتوكول لاستخدام ارتفاع الحرارة المتحكم فيه ، الناتج عن الموجات فوق الصوتية المركزة عالية الكثافة الموجهة بالرنين المغناطيسي ، لتحفيز إطلاق الدواء من الجسيمات الشحمية الحساسة للحرارة في نموذج فأر الساركوما العضلية المخططة.
Abstract
الموجات فوق الصوتية المركزة عالية الكثافة الموجهة بالرنين المغناطيسي (MRgHIFU) هي طريقة راسخة لإنتاج ارتفاع الحرارة الموضعي. نظرا للتصوير في الوقت الفعلي وتعديل الطاقة الصوتية ، تتيح هذه الطريقة التحكم الدقيق في درجة الحرارة داخل منطقة محددة. يتم استكشاف العديد من التطبيقات الحرارية باستخدام هذه التكنولوجيا غير الغازية وغير المؤينة ، مثل توليد ارتفاع الحرارة ، لإطلاق الأدوية من ناقلات الجسيمات الشحمية الحساسة للحرارة. يمكن أن تشمل هذه الأدوية العلاجات الكيميائية مثل دوكسوروبيسين ، والتي يكون إطلاقها المستهدف مرغوبا فيه بسبب الآثار الجانبية الجهازية التي تحد من الجرعة ، وهي السمية القلبية. دوكسوروبيسين هو الدعامة الأساسية لعلاج مجموعة متنوعة من الأورام الخبيثة ويستخدم عادة في الساركوما العضلية المخططة المنتكسة أو المتكررة (RMS). RMS هو الورم الرخو خارج الجمجمة في الأنسجة الصلبة الأكثر شيوعا لدى الأطفال والشباب. على الرغم من العلاج العدواني متعدد الوسائط ، ظلت معدلات البقاء على قيد الحياة RMS كما هي على مدى السنوات ال 30 الماضية. لاستكشاف حل لتلبية هذه الحاجة غير الملباة ، تم تطوير بروتوكول تجريبي لتقييم إطلاق دوكسوروبيسين الشحمي الحساس للحرارة (TLD) في نموذج فأر RMS متوافق مع المناعة باستخدام MRgHIFU كمصدر لارتفاع الحرارة لإطلاق الدواء.
Introduction
الساركوما العضلية المخططة (RMS) هي ورم عضلي هيكلي يحدث بشكل شائع عند الأطفال والشباب1. غالبا ما يتم علاج المرض الموضعي بالعلاج متعدد الوسائط ، بما في ذلك العلاج الكيميائي والإشعاع المؤين والجراحة. استخدام أنظمة العلاج الكيميائي متعدد الأدوية أكثر انتشارا في مرضى الأطفال ، مع نتائج محسنة مقارنة بنظرائهم البالغين2 ؛ ومع ذلك ، على الرغم من الجهود البحثية المستمرة ، لا يزال معدل البقاء على قيد الحياة لمدة 5 سنوات عند حوالي 30 ٪ في الشكل الأكثر عدوانية من المرض 3,4. معيار الرعاية الكيميائي هو نظام متعدد الأدوية يتضمن فينكريستين وسيكلوفوسفاميد وأكتينومايسين د. في حالات المرض الانتكاسي أو المتكرر ، يتم استخدام العلاجات الكيميائية البديلة ، بما في ذلك دوكسوروبيسين القياسي (الحر) (FD) وإيفوسفاميد1. في حين أن كل هذه العلاجات الكيميائية لها سمية جهازية ، فإن السمية القلبية للدوكسوروبيسين تفرض قيودا على الجرعة مدى الحياة 5-7. لزيادة كمية الدواء الذي يتم تسليمه إلى الورم وتقليل السمية الجهازية ، تم تطوير تركيبات بديلة ، بما في ذلك تغليف الدهون. يمكن أن تكون هذه دوكسوروبيسين غير حساس للحرارة ، والذي تمت الموافقة عليه لعلاج سرطان الثدي وسرطان الخلايا الكبدية ، أو دوكسوروبيسين حساس للحرارة ، والذي تجري التجارب السريرية له8،9،10،11،12،13. تم تقييم الطرق البديلة لتوصيل الأدوية المغلفة بالجسيمات الشحمية مثل الجسيمات الشحمية متعددة الحويصلات والجسيمات الشحمية المستهدفة لليجند وتظهر نتائج واعدة لعلاج الأورام9. في هذه الدراسة ، فإن إضافة الحرارة لها تأثيرات متعددة العوامل ، بما في ذلك إطلاق الدواء14. إن الجمع بين ارتفاع الحرارة (HT) الناتج عن الموجات فوق الصوتية المركزة عالية الكثافة الموجهة بالرنين المغناطيسي (MRgHIFU) ودوكسوروبيسين الشحمي الحساس للحرارة (TLD) هو نهج علاجي جديد متعدد الوسائط لاستخدام هذا الدواء السام والفعال لعلاج RMS ، مع تقليل السمية التي تحد من الجرعة وربما زيادة الاستجابة المناعية للورم.
يطلق دوكسوروبيسين بسرعة من TLD عند درجات حرارة >39 درجة مئوية ، أعلى بكثير من متوسط درجة حرارة جسم الإنسان البالغ 37 درجة مئوية ولكنه ليس مرتفعا بما يكفي للتسبب في تلف الأنسجة أو الاجتثاث ؛ يبدأ هذا في الحدوث عند 43 درجة مئوية ، ولكنه يحدث بسرعة أكبر مع اقتراب درجات الحرارة من 60 درجة مئوية15. تم استخدام طرق مختلفة لتوليد HT في الجسم الحي ، بما في ذلك الليزر وأفران الميكروويف والاجتثاث بالترددات الراديوية والموجات فوق الصوتية المركزة ، والعديد منها طرق تسخين غازية16. MRgHIFU هي طريقة تسخين غير جراحية وغير مؤينة تسهل إعدادات درجة الحرارة الدقيقة داخل الأنسجة المستهدفة في الموقع. يوفر التصوير بالرنين المغناطيسي (MR) بشكل حاسم التصوير في الوقت الفعلي ، حيث يمكن استخدام برامج الكمبيوتر ، لحساب قياس الحرارة للأنسجة طوال فترة العلاج. بعد ذلك ، يمكن استخدام هذه البيانات للتحكم في العلاج بالموجات فوق الصوتية في الوقت الفعلي للوصول إلى نقطة ضبط درجة الحرارةالمطلوبة 17 والحفاظ عليها. تم اختبار MRgHIFU في أنواع مختلفة من الأنسجة ويمكن استخدامه لمجموعة واسعة من علاجات درجة الحرارة ، من HT الخفيف إلى الاستئصال ، وكذلك سريريا لعلاج النقائل العظمية المؤلمةبنجاح 18. بالإضافة إلى ذلك ، ثبت أن HT يسبب السمية الخلوية للورم ، ويعدل تعبير البروتين ، ويغير الاستجابة المناعية في البيئة المكروية للورم19،20،21،22. جمعت إحدى الدراسات بين HT الخفيف و TLD ، يليه الاستئصال باستخدام MRgHIFU ، في نموذج الفئران R1التآزري 23 ، مما أدى إلى نخر في قلب الورم وتوصيل الدواء إلى الأطراف. تقليديا ، تم استخدام العلاج الإشعاعي كعلاج مساعد لتلف الخلايا السرطانية وتقليل تكرار المرض الموضعي. ومع ذلك ، فإن استخدامه محدود بسبب الجرعات مدى الحياة والضرر خارج الهدف1. وبالتالي ، فإن HT فريد من نوعه من حيث أنه يمكن أن يسبب بعض التأثيرات نفسها دون نفس السمية أو القيود.
تشمل النماذج الحيوانية قبل السريرية ل RMS نماذج الكفاءة المناعية الاصطناعية والطعوم الخارجية المشتقة من المريض (PDX) في المضيفين الذين يعانون من نقص المناعة. في حين أن النماذج التي تعاني من نقص المناعة تسمح بنمو الأورام البشرية ، إلا أنها تفتقر إلى البيئة المكروية المناسبة للورم ومحدودة في قدرتها على دراسة الاستجابة المناعية24. تعد الطفرة المنشطة ل FGFR4 علامة واعدة لسوء التشخيص وهدفا علاجيا محتملا في RMS 1,25 للبالغين والأطفال. في نماذج RMS syngeneic التي تم تطويرها في مختبر Gladdy ، تكون الأورام قادرة على النمو في مضيف مناعي ، والذي يطور استجابات مناعية فطرية وتكيفية للورم26. نظرا لأن HT يؤثر على الاستجابة المناعية ، فإن ملاحظة التغيير في الاستجابة المناعية للفئران هي ميزة قيمة لنموذج الورم هذا. لاختبار كل من استجابة الورم ل TLD مقارنة ب FD ، بالإضافة إلى التغيير في الاستجابة المناعية للورم لكل من العلاج الكيميائي و HT ، تم تطوير بروتوكول واستخدامه لعلاج أورام الفئران الاصطناعية RMS في الجسم الحي باستخدام MRgHIFU و TLD ، وهو محور هذه الدراسة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم استخدام البروتوكول الذي تم تطويره هنا لاستهداف أورام الأطراف الخلفية باستخدام MRgHIFU لعلاج HT الخفيف وإطلاق الأدوية المغلفة من الجسيمات الشحمية في الجسم الحي. تمت مصادفة العديد من الخطوات الحاسمة في هذا البروتوكول أثناء الدراسة التجريبية ، وكان تحسين هذه الخطوات الحاسمة مسؤولا عن ت…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نود أن نعترف بمصادر تمويلنا لهذا المشروع والموظفين المعنيين بما في ذلك: منحة أبحاث C17 ، ومنحة كندا للدراسات العليا ، والصندوق الاستئماني لفرص الطلاب في أونتاريو ، وصندوق جيمس جيه هاموند.
Materials
| 1.5mL Eppendorf tubes | Eppendorf | 22363204 | |
| 1kb plus DNA Ladder | Froggabio | DM015-R500 | |
| 2x HS-Red Taq (PCR mix) | Wisent | 801-200-MM | |
| 7 Tesla MRI BioSpec | Bruker | T184931 | 70/30 BioSpec, Bruker, Ettlingen, Germany |
| C1000 Thermal cycler | Biorad | 1851148 | |
| Clippers | Whal Peanut | 8655 | |
| Compressed ultrasound gel | Aquaflex | HF54-004 | |
| Convection heating device | 3M Bair Hugger | 70200791401 | |
| Depiliatory cream | Nair | 61700222611 | Shopper's Drug Mart |
| DMEM | Wisent | 219-065-LK | |
| DNeasy extraction kit | Qiagen | 69504 | |
| DPBS | Wisent | 311-420-CL | |
| Drug injection system | Harvard Apparatus | PY2 70-2131 | PHD 22/2200 MRI compatible Syringe Pump |
| Eye lubricant | Optixcare | 50-218-8442 | |
| F10 Media | Wisent | 318-050-CL | |
| FBS | Wisent | 081-105 | |
| Froggarose | FroggaBio | A87 | |
| Gel Molecular Imager | BioRad | GelDocXR | |
| Glutamax | Wisent | 609-065-EL | |
| Heat Lamp | Morganville Scientific | HL0100 | Similar to this product |
| Intravascular Polyethylene tubing (0.015" ID x 0.043" OD, 20G) | SAI infusion | PE-20-100 | |
| Isoflurane | Sigma | 792632 | |
| M25FV24C Cell line | Gladdy Lab | N/A | |
| Microliter Syringe | Hamilton | 01-01-7648 | |
| Molecular Imager Gel Doc XR | Biorad | 170-8170 | |
| Mouse holder | The 3D printing material used was ABS-M30i, and it was printed on FDM Fortus 380mc machine | N/A | Dimensions: length = 43 mm, outer radius = 15 mm, inner width (where the mouse would sit) = 20.7 mm. |
| MyRun Machine | Cosmo Bio Co Ltd | CBJ-IMR-001-EX | |
| Nanodrop 8000 Spectrophotometer | Thermo Scientific | ND-8000-GL | |
| p53 primers | Eurofins | N/A | Custom Primers |
| PCR tubes | Diamed | SSI3131-06 | |
| Penicillin/Streptomycin | Wisent | 450-200-EL | |
| Proteus software | Pichardo lab | N/A | |
| Respiratory monitoring system | SAII | Model 1030 | MR-compatible monitoring and gating system for small animals |
| Small Bore HIFU device, LabFUS | Image Guided Therapy | N/A | LabFUS, Image Guided Therapy, Pessac, France Number of elements 8 frequency 2.5 MHz diameter 25 mm radius of curvature 20 mm Focal spot size 0.6 mm x 0.6 mm x 2.0 mm Motor: axes 2 Generator: Number of channels 8 Maximum electrical power/channel Wel 4 Maximum electrical power Wel 32 Bandwidth 0.5 – 5 MHz Control per channel: Freq., Phase and. amplitude Measurements per channel: Vrms, Irms, cos(theta) Duty Cycle at 100% power % 100% for 1 min. Transducer: Number of elements 8 frequency 2.5 MHz diameter 25 mm radius of curvature 20 mm Focal spot size 0.6 mm x 0.6 mm x 2.0 mm |
| SYBR Safe | ThermoFisher Scientific | S33102 | |
| TAE | Wisent | 811-540-FL | |
| Tail vein catheter (27G 0.5" ) | Terumo Medical Corp | 15253 | |
| Thermal probes | Rugged Monitoring | L201-08 | |
| Trypan blue | ThermoFisher Scientific | 15250061 | |
| Trypsin | Wisent | 325-052-EL | |
| Ultrasound Gel | Aquasonic | PLI 01-08 |
References
- Skapek, S. X., et al. Rhabdomyosarcoma. Nature Reviews Disease Primers. 5 (1), (2019).
- Ferrari, A., et al. Impact of rhabdomyosarcoma treatment modalities by age in a population-based setting. Journal of Adolescent and Young Adult Oncology. 10 (3), 309-315 (2021).
- . Pediatric rhabdomyosarcoma surgery: Background, anatomy, pathophysiology Available from: https://emedicine.medscape.com/article/939156-overview#a2 (2019)
- Ognjanovic, S., Linabery, A. M., Charbonneau, B., Ross, J. A. Trends in childhood rhabdomyosarcoma incidence and survival in the United States, 1975-2005. Cancer. 115 (18), 4218-4226 (2009).
- Mulrooney, D. A., et al. Cardiac outcomes in a cohort of adult survivors of childhood and adolescent cancer: retrospective analysis of the Childhood Cancer Survivor Study cohort. BMJ. 339, (2009).
- Lipshultz, S. E., Cochran, T. R., Franco, V. I., Miller, T. L. Treatment-related cardiotoxicity in survivors of childhood cancer. Nature Reviews Clinical Oncology. 10 (12), 697-710 (2013).
- Winter, S., Fasola, S., Brisse, H., Mosseri, V., Orbach, D. Relapse after localized rhabdomyosarcoma: Evaluation of the efficacy of second-line chemotherapy. Pediatric Blood & Cancer. 62 (11), 1935-1941 (2015).
- Wood, B. J., et al. Phase I study of heat-deployed liposomal doxorubicin during radiofrequency ablation for hepatic malignancies. Journal of Vascular and Interventional Radiology. 23 (2), 248-255 (2012).
- Bulbake, U., Doppalapudi, S., Kommineni, N., Khan, W. Liposomal formulations in clinical use: an updated review. Pharmaceutics. 9 (2), 12 (2017).
- Zagar, T. M., et al. Two phase I dose-escalation/pharmacokinetics studies of low temperature liposomal doxorubicin (LTLD) and mild local hyperthermia in heavily pretreated patients with local regionally recurrent breast cancer. International Journal of Hyperthermia. 30 (5), 285-294 (2014).
- . A phase I study of lyso-thermosensitive liposomal doxorubicin and MR-HIFU for pediatric refractory solid tumors Available from: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02536183 (2019)
- PanDox: targeted doxorubicin in pancreatic tumours (PanDox). University of Oxford Available from: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT04852367 (2021)
- . Image-guided targeted doxorubicin delivery with hyperthermia to optimize loco-regional control in breast cancer (i-GO) Available from: https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03749850 (2018)
- De Vita, A., et al. Lysyl oxidase engineered lipid nanovesicles for the treatment of triple negative breast cancer. Scientific Reports. 11 (1), 5107 (2021).
- Sapareto, S. A., Dewey, W. C. Thermal dose determination in cancer therapy. International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 10 (6), 787-800 (1984).
- Kok, H. P., et al. Heating technology for malignant tumors: a review. International Journal of Hyperthermia. 37 (1), 711-741 (2020).
- Kokuryo, D., Kumamoto, E., Kuroda, K. Recent technological advancements in thermometry. Advanced Drug Delivery Reviews. 163, 19-39 (2020).
- Bongiovanni, A., et al. 3-T magnetic resonance-guided high-intensity focused ultrasound (3 T-MR-HIFU) for the treatment of pain from bone metastases of solid tumors. Support Care Cancer. 30 (7), 5737-5745 (2022).
- Seifert, G., et al. Regional hyperthermia combined with chemotherapy in paediatric, adolescent and young adult patients: current and future perspectives. Radiation Oncology. 11, 65 (2016).
- Dewhirst, M. W., Lee, C. -. T., Ashcraft, K. A. The future of biology in driving the field of hyperthermia. International Journal of Hyperthermia. 32 (1), 4-13 (2016).
- Dewhirst, M. W., Vujaskovic, Z., Jones, E., Thrall, D. Re-setting the biologic rationale for thermal therapy. International Journal of Hyperthermia. 21 (8), 779-790 (2005).
- Repasky, E. A., Evans, S. S., Dewhirst, M. W. Temperature matters! And why it should matter to tumor immunologists. Cancer Immunology Research. 1 (4), 210-216 (2013).
- Hijnen, N., et al. Thermal combination therapies for local drug delivery by magnetic resonance-guided high-intensity focused ultrasound. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (24), E4802-E4811 (2017).
- Shultz, L. D., et al. Human cancer growth and therapy in immunodeficient mouse models. Cold Spring Harbor Protocols. 2014 (7), 694-708 (2014).
- De Vita, A., et al. Deciphering the genomic landscape and pharmacological profile of uncommon entities of adult rhabdomyosarcomas. International Journal of Molecular Sciences. 22 (21), 11564 (2021).
- McKinnon, T., et al. Functional screening of FGFR4-driven tumorigenesis identifies PI3K/mTOR inhibition as a therapeutic strategy in rhabdomyosarcoma. Oncogene. 37 (20), 2630-2644 (2018).
- Zaporzan, B., et al. MatMRI and MatHIFU: software toolboxes for real-time monitoring and control of MR-guided HIFU. Journal of Therapeutic Ultrasound. 1, (2013).
- Dunne, M., et al. Heat-activated drug delivery increases tumor accumulation of synergistic chemotherapies. Journal of Controlled Release. 308, 197-208 (2019).
- Zhao, Y. X., Hu, X. Y., Zhong, X., Shen, H., Yuan, Y. High-intensity focused ultrasound treatment as an alternative regimen for myxofibrosarcoma. Dermatologic Therapy. 34 (2), 14816 (2021).
- Vanni, S., et al. Myxofibrosarcoma landscape: diagnostic pitfalls, clinical management and future perspectives. Therapeutic Advances in Medical Oncology. 14, 17588359221093973 (2022).
