In Vivo Optical Imaging af hjernetumorer og Gigt Brug Fluorescent SAPC-DOPS Nanovesicles

Hele dyr billeddannelse er blevet et magtfuldt redskab i studiet af dyr fysiopatologi. Blandt de nuværende billeddannende systemer, MS FX PRO giver forskerne at præcist visualisere fluorescens-mærket (eller selvlysende) forbindelser og / eller væv i levende mus, og samtidig opnå røntgenbilleder. Med den nyligt indførte multimodal dyr rotationssystem (MARS) et komplet, automatiseret rotation af musen er opnået for at fange både fluorescerende / selvlysende og røntgenbilleder på bestemte vinkler ^1. Kan programmeres billede erhvervelse sådan, at sekventiel billedserier kan fanges på bestemte, trinvise vinkler så små som 1 °. Dette tillader, at man identificere den optimale orientering af dyret, dvs. at afstanden mellem de internt genererede fluorescerende / luminescerende signal og systemets detektionssystem i hvilket er den korteste. Dette på sin side letter nøjagtig positionering af dyret til efterfølgende billeddannelse SEssions løbet longitudinelle studier.

I denne rapport beskriver vi implementeringen af en roterende optisk imaging (Maroi) system for in vivo kvantificering af fluorescerende markør intensitet multi-vinkel. Maroi signal kurve analyse kan anvendes i longitudinelle studier til direkte korrelation af fluorescerende signal distribution til præcist kortlægge syge sites eller biologiske processer af interesse.

Dette system blev anvendt til at overvåge absorptionen af ​​fluorescensmærkede SAPC-DOPS nanovesicles af ortotopisk og spontane tumorer, samt ved arthritisk foci i levende mus; det billede multispektrale og multimodale datasæt afledt fra fuldstændig roterende dækning af dyrene. Blandt de mange fluorescerende prober øjeblikket er til rådighed til in vivo billeddannelse, der udsender i nær-infrarødt lys og langt-røde spektrale områder giver den laveste interferens med hud og væv, og giver den højeste dækningsgrad og billed resolution. Vi brugte CellVue Maroon (CVM) ^2,3, et langt rødt fluorescerende celle linker (Ex 647/Em 667), til at mærke SAPC-DOPS (SAPC-DOPS-CVM) ^4-12.

Etik redegørelse for anvendelsen af ​​dyr. Alle dyreforsøg blev godkendt af Institutional Animal Care og brug Udvalg University of Cincinnati (IACUC Protocol nummer: 11-05-05-02) og Cincinnati Children Hospital Research Foundation (Dyrevelfærd Assurance nummer A3108-01). Alle forsøg med mus fulgt retningslinjerne fra University of Cincinnati og Cincinnati Children Hospital Research Foundation dyrepleje.

1.. Forbered dyremodeller

Bemærk: Tre forskellige dyremodeller, der er skitseret nedenfor er blevet brugt i vores tidligere undersøgelser:

1. Ortotopisk hjernesvulst mus: Brug nu / nu atymiske hunmus, der er blevet intrakranialt injiceret med humane U87-ΔEGFR-Luc celler. Disse mus udvikler en aggressiv tumor, der viser typiske træk ved den menneskelige glioblastom.
2. Gensplejsede hjernesvulst musemodeller ^13: Race Mut3 (GFAP-cre; Nf1loxP / +; Trp53-/ +) hanmus med Trp53loxP/loxP; PtenloxP / loxP hunner at generere Mut6 mus (GFAP-ska, Nf1loxP / +; Trp53-/loxP; PtenloxP / +). Vedligehold Mut3 mus i B6CBAF1 / J stamme ved avlshandyr Mut3 mus med kvindelige B6CBAF1 / J-mus. Genotype mus mellem P9 og P12 og bekræft genotyperne efter høst deres væv.
3. K / BxN artritis: Brug C57BL/6J-mus, der har været administreret intraperitonealt med 150 pi sera fra KRN x NOD F1 mus. Disse mus udvikler gigt 24 til 48 HR efter sera injektion. Billeddannelse af arthritisk mus udført på dag 7 efter sera administration, et tidspunkt hvor mus udviser åbenlys makroskopisk arthritis. Mus skal evalueres ved hjælp af kriterierne i det næste trin.
   1. Evaluering af mus for makroskopisk arthritis bruger en gigt indeks makroskopisk pointsystem som følger: 0 = ingen påviselig gigt, 1 = hævelse og / eller rødme af pote eller et ciffer, 2 = to led involveret, 3 = tre samlinger invollbp, og 4 = svær leddegigt i hele pote og ciffer. Arthritisk scoringssystem anvendes til at bestemme antallet af led, som påvirkes og alvorligheden af ​​arthritis i mus poter. Selv mus med den højest mulige arthritisk score viser sjældent tegn på immobilitet. Men gigt er overvåget 3 gange ugentligt og mus i store smerter (såsom alvorlig ubevægelighed af hævede poter, der hæmmer mad og vandforbrug), er ofret.
   2. Bemærk: Væsker injiceret IV i musen hale vene har sterilitet opretholdes under hele forsøget. Ren, steril, engangssprøjter og hætteglas anvendes til undersøgelse løsning forberedelse og administration.

2. Fremstilling af Fluorescerende mærkede SAPC-DOPS Nanovesicles

1. SAPC protein produktion: Rekombinant SAPC protein med nøjagtig human SAPC sekvens blev produceret i E. coli-celler som tidligere beskrevet med ændringer ^4.SAPC blev udfældet med ethanol efterfulgt af højpræstationsvæskekromatografi oprensninger. Efter lyofilisering blev tør SAPC anvendes, og dets koncentration blev bestemt ved dens vægt.
2. Bland SAPC-protein som tidligere beskrevet ^7,10,11. Mix DOPS (0,18 mg) og MSK (0,03 mg) i et glasrør og bruge nitrogengas at fordampe lipid opløsningsmidler.
3. Tilføj SAPC protein pulver (0,32 mg) til blandingen, suspendere den tørre blanding i 1 ml PBS buffer og bad soniker for ca 15 min som tidligere beskrevet ^7,10,11. Derefter passere suspensionen gennem en Sephadex G25-søjle (PD-10) for at fjerne frit CVM farvestof. Excitation og emission maxima af slutproduktet, dvs SAPC-DOPS-CVM nanovesicles er 653 nm og 677 nm.

3.. Imaging

1. Brug hjernetumor og gigt musemodeller (beskrevet ovenfor i trin 1) for at teste Maroi system. Bedøver mus til at foretage med 2% isofluran. 1-2% isofluran er maintained for varigheden af ​​imagografiproceduren. Varm luft kontinuerligt og forsigtigt afgives til billeddannelse kammer for varigheden af ​​billeddannelse. En lille perle sterilt kunstige tårer salve anvendes til hvert øje af musen for at dække og smøre øjet. Placer mus i Mars-systemet ved at placere musene i rygleje med deres ryg indledningsvis rettet mod kameraet (figur 1). Kalibrer MARS 380 ° støtte film og placer mus ved hjælp af rotation software i fanen Bruker MI-protokollen. Opnå baseline billeder af mus før SAPC-DOPS-CVM administration i den nedenfor beskrevne måde.
2. Injicer 200 pi SAPC-DOPS-CVM intravenøst ​​i halevenen på musen. Administrere at styre mus og gigt-eller hjerne tumor-bærende mus.
3. Billede mus 24 timer efter injektion og igen ved 7-9 dage efter injektion ved at tage fluorescens (25 sek eksponeringstid) og X-ray (10 sek eksponeringstid) Jegmagikere ved 10 ° intervaller mere end et kursus på 380 °, hvilket skaber en lille overlapning at sikre, at der ikke er nogen huller i den roterende datasæt. Brug Bruker MI software, oven fluorescerende på røntgenbilleder til anatomisk lokalisering.

4.. Image Analysis

1. Tegn en rektangulær ROI omfatter bredden af ​​synsfelt (FOV) på webstedet sygdom (tumor og arthritis). ROI skal være stor nok til at holde funktionen sygdommen inden for FOV som dyret bevæger sig i løbet af 380 ° rotation. For hjernesvulst mus (ortotopisk og transgene modeller), skal du bruge samme rektangulære ROI på hver tumor model og dens tre (3) respektive kontrol mus for alle tidspunkter (baseline, 24 timers og 9 dage). Placeringen af ​​den rektangulære ROI for hver mus er bevaret gennem alle tidspunkter ved at udnytte anatomiske kendetegn på hver dyrets tilsvarende røntgenbilleder. Den anatomiske lokalitet (r) identificeres på tumormodel skal også anvendes til PLAce identiske rektangulære ROIs på hver model respektive kontrol. Anatomiske vartegn identificeret på røntgenbilleder giver mulighed for placering konsekvent ROI omfatter bunden af ​​kraniet og den bageste del Kindbuens. De er visualiseret på højre og venstre laterale kraniet posterior-anterior (PA) image.
2. Efter automatisk baggrund subtraktion, bestemme for hvert billede gennemsnitlige fluorescens intensitet. Konverter fluorescens billeder til fotoner / s / mm ² ved hjælp af Bruker MI imaging software. Plot fluorescens værdier som en funktion af de billeddannende vinkler, og finder anvendelse så fejlsøjler standardafvigelsen af ​​de midlede fluorescens værdier fra kontrol mus ved hjælp af Excel eller anden graftegning software.

Vi viser her, at SAPC-DOPS nanovesicles mærket med et langt rødt farvestof (CVM), som specifikt akkumuleres i ortotopisk og spontan mus hjernetumorer, samt i arthritiske led af K / BxN-mus. Seriel fluorescens / røntgenbilleder erhvervet fra en ROI placeret over hver sygdom stedet under komplette rotationer af mus blev udsat for Maroi kurve analyse, der afslørede den optimale billeddannende vinkel med den højeste fluorescens intensitet.

Det primære formål med anvendelse af Mars-systemet er at bestemme den optimale vinkel af fluorescens, således at de mest nøjagtige målinger kan tages. Repræsentative resultater fra tre forsøg med mus med hjernesvulster eller gigt vises. Brug SAPC-DOPS-CVM og MARS-systemet (Figur 1), den bedst mulige billedkvalitet vinkel for at observere svulst eller betændelse på grund af gigt blev bestemt. Fluorescens billeder, efterfulgt af en røntgenundersøgelse erhvervelse, blev erhvervet hver 10 °under en 380 ° rotation af musen. Fluorescens billeder blev lagt oven på de tilsvarende røntgenbilleder for billedvisning og roterende film generation.

Resultater fra ortotopisk hjernetumor model er demonstreret i fig. 2. fluorescens billede af en repræsentativ ortotopisk tumorbærende mus (Ortho1) er vist i figur 2A. Den optimale billede vinkel for dyret er 10 °, den position, ved hvilken fluorescensen foton intensitet er den største (figur 2B). Målinger blev taget før injektion med SAPC-DOPS-CVM (baseline) og 24 timer efter injektion. Kontrol mus (tumor gratis) fik en lignende behandling.

Figur 3 viser sammenlignelige data fra gensplejset hjernetumor musemodel. Fluorescens billeder og foton målinger blev taget før injektion med SAPC-DOPS-CVM (baseline) og 24 timers (3A og <strong> 3B) og 9 dage (figur 3C) efter injektion. Disse grafer viser, at den optimale billeddannende vinkel i tumor-bærende dyr (Tumor Mut49) er 20 ° 24 timer efter injektion, men ændringer til 10 ° 9 dage efter injektion. Dette antyder, at fluorescenssignal ændring korreleret med morfologiske ændringer, sandsynligvis afspejler tumorvækst.

Som vist i tabel 1 Maroi metode viser tydeligt, at det fluorescerende signal falder til fremspring på at øge drejning væk fra den optimale billeddannelse vinkel. I hjernetumorer blev et gennemsnitligt fald i fluorescerende signal 7% opnås, hvis dyrets fysiske orientering var ± 10 ° forskudt fra den optimale billeddannende vinkel. En gennemsnitlig 21% fald i fluorescerende signal blev målt ved ± 20 °. Således relativt små forskydninger fra den optimale vinkel kan resultere i betydelige signal dæmpning. Udnytte den Maroi teknik til billedet positionering vil tillade investigators at producere mere ensartede og pålidelige data.

Den Maroi metode blev endelig anvendt til at vurdere målretning af gigtplagede led af SAPC-DOPS-CVM 24 timer efter SAPC-DOPS-CVM injektion. Dette dyr scorede 3 med tre gigtplagede led. Fluorescens billeder af tå og ankel arthritisk mus er vist i figur 4A og 4B. Tilsvarende foton målinger ved 10 ° rotation intervaller tegnes i figur 4C og 4D. De optimale billeddiagnostiske vinkler fundet til tå og ankel er 140 ° og 120 °.

Sammenfattende kombinationen af ​​Maroi systemet med fluorescerende SAPC-DOP'er nanovesicles repræsenterer en noninvasiv, præcis og meget følsom strategi for levende billeddannelse, som giver mulighed for kvantitative undersøgelser af tumor og gigt progression i små dyr. Muligheden for at erhverve en 360 ° multimodal billeddannelse datasæt betydeligt Improves dataanalyse og fortolkning i forhold til, hvad der er opnåeligt ved anvendelse af enkelt vinkel billeddannende teknikker.

Tabel 1.. Optimale billeddiagnostiske vinkler for hver mus model. Forskellene mellem vinklen for maksimal foton fluorescens (FLR optimal vinkel) og standard anatomiske vinkel (X-ray) kan ses. Når disse to vinkler blevet mere og mere forskellige, ændrer det målte signal betydeligt. Klik her for at se større billede .

Figur 1.. Multi-vinkel roterende optisk imaging (Maroi) enhed. Klik her for at se større billede .

Figur 2.. Fluorescens signal vs billede vinkel i en ortotopisk hjernesvulst musemodel. (A). Billede af peak fluorescerende signal ved den optimale billede vinkel på 10 °. Den blå boks viser ROI anvendes til at kvantificere de udsendte fotoner. (B). Graf af billedet vinkel kontra photon emission. Den repræsentative ortotopisk tumor-bærende mus (Ortho1) er afbildet mod gennemsnit fluorescens værdier fra ens ROIs i tre nontumor mus. Målinger blev taget ved baseline (før injektion) og 24 timer efter injection. Fejllinjer repræsenterer standardafvigelsen. Klik her for at se større billede .

Figur 3.. Fluorescens signal vs billede vinkel i en spontan hjernetumor af en gensplejset musemodel. (A). Billede af toppen fluorescenssignal ROI 1 (øverste blå boks) ved den optimale billede vinkel på 20 °. (B) og (C). Grafer af billedet vinkel versus fotonemission fra ROI 1. Værdier fra en repræsentative spontan hjernetumor-bærende mus, Tumor-Mut 49, tegnes mod gennemsnit værdier fra tre ikke tumor mus. Målinger blev taget ved baseline (før injektion) og 24 timer (B) og 9 dage (C) efter injektion. Fejl B ars repræsenterer standardafvigelsen. Klik her for at se større billede .

Figur 4.. Fluorescens signal vs billede vinkel i en mus med gigt af tåen og ankelled. (A) og (B). Billeder, der viser den maksimale fluorescerende signal til tæerne (A) og ankelled (B), inden for de ROIs vist i det røde felt. (C). Graf vinkel versus betyde fotonemission til tå. Peak fotonemission kan ses i en vinkel på 140 ° (D) Graf over vinkel versus betyde fotonemission til anklen..; maksimal intensitet sker ved en vinkel på 120 °.target = "_blank"> Klik her for at se større billede.

Nøjagtig bestemmelse af placeringen og omfanget af solide tumorer og inflammatoriske foci i reumatiske lidelser er afgørende for at gennemføre passende behandling og opfølgning sygdomsprogression eller fritagelse. Mens værdifulde, aktuelle billeddiagnostiske strategier (røntgenstråler, MRI, ultralyd, røntgen computertomografi) giver ufuldstændige vurdering af sygdomsstatus. For eksempel er arthritis ledskader almindeligvis vurderet af røntgenstråler, der indeholder oplysninger om knoglestrukturen, men ikke på blødt væv betændelse og ødelæggelse, karakteristisk for tidlige stadier af sygdommen. Den Maroi metode præsenteres her kombinerer fordelene ved både røntgen og sofistikerede bløde væv billeddiagnostiske metoder (f.eks MRI eller ultralyd) i en integreret, noninvasive og enklere platform, der også giver mulighed for en fuld 3D kortlægning og genopbygning af det syge væv eller organ i små dyr, såsom mus.

Denne fremgangsmåde drager fordel af den selektive affinitet of SAPC-DOPS nanovesicles for udsatte phosphatidylserin rester, der er rigelige i membraner af kræft og inflammatoriske celler. Determinanten af denne binding er SAPC et fusogent lysosomale protein med en stærk affinitet for anioniske phospholipider, såsom phosphatidylserin ^7,10,11. Når den er konjugeret til en fluorescerende probe (CVM), kan systemisk injiceret SAPC-DOPS spores tilbage til tumor og arthritiske sites ved fluorescens billeddannelse.

Begrænsninger af vores metode er relateret til dens følsomhed, som i dag begrænser brugen til billeddannelse af små dyr som mus. Som med andre billeddiagnostiske metoder, er optimal fluorescerende signal støjforhold begrænset af størrelsen af ​​tumor eller omfanget af gigt, og kan være kompromitteret, når billeddannelse væv eller organer med høj baggrund (autofluorescens) såsom ører (hjernescanning), tarme / fæces (abdominal billeddannelse) og poter (bagbenet billeddannelse). I denne henseende, fandt vi, at et langt rødt farvestof såsom CVM progiver bedre spektral separation og opløsning i in vivo indstilling end andre fluorescerende prober i det synlige område.

Andre faldgruber omfatter potentiel bevægelse af dyret under billedbehandling, både mens bedøvede og post mortem (rigor mortis). Bagben positionering, især er det ofte vanskeligt at stabilisere for at undgå bevægelse under rotation. I sin nuværende tilstand teknikken er også tidskrævende, med scan gange så længe som 60 minutter til at fuldføre en fuld rotation og erhverve billeder af høj kvalitet.

Den Maroi metode giver en række fordele i forhold til andre billeddiagnostiske modaliteter. Evnen til billede sygt væv fra 38 (eller flere) forskellige vinkler tillader visualisering af fluorescens, som kan hindres ved vurderingen af ​​det fra et enkelt plan; dette er værdifulde i dyreforsøg fordi det kan hjælpe med at minimere antallet af falske negativer som følge af billedbehandling på upassende vinkler. Ved overlying røntgen og fluorescens billeder, kan en præcis anatomisk lokalisering af det syge sted bestemmes. Endelig er muligheden af levende (in vivo) billeddannelse tillader langsgående undersøgelser, der skal udføres.