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Method Article
このプロトコルでは、脂質マイクロバブルの作製と、マイクロバブルの物理化学的特性を保存する精製フリーの>95%のラベリング効率を備えた互換性のあるワンポットマイクロバブル放射性標識法の概要を説明します。この方法は、多様な脂質マイクロバブル製剤に有効であり、放射性および/または蛍光マイクロバブルを生成するように調整できます。
マイクロバブルは、血管超音波造影剤から革新的ながん治療プラットフォームへと進化した、脂質シェルのガス充填粒子です。治療用焦点超音波(FUS)と組み合わせることで、生理学的障壁(血液脳関門など)を安全かつ局所的に克服し、他の方法ではアクセスできないがん(膠芽腫や膵臓がんなど)に薬物を送達し、神経変性疾患を治療することができます。マイクロバブルFUSの治療薬は、相乗的併用放射線療法、マルチモーダルイメージング、マイクロバブルシェルからのオールインワンの薬物ローディングと送達など、新たな方向に進んでいます。
放射性トレーサーによるマイクロバブルの標識は、これらの拡張されたセラノスティクス機能を確立するための鍵です。しかし、既存のマイクロバブル放射性標識戦略は、マイクロバブルの物理化学的特性を乱すことが知られている精製方法に依存しており、短寿命の放射性同位元素を使用し、常に安定したキレート化をもたらすとは限りません。全体として、これはマイクロバブル放射線画像の精度と腫瘍放射性同位元素送達の効率を取り巻く曖昧さを生み出します。
このプロトコルは、マイクロバブルの物理化学的特性を維持しながら、>95%の放射性同位元素キレート化効率を達成する、新しいワンポットの精製フリーマイクロバブルラベリング法を説明しています。汎用性が高く、アシル脂質鎖の長さ、電荷、およびキレート剤/プローブ(ポルフィリン、DTPA、DiI)組成が異なるカスタムおよび市販のマイクロバブル製剤にうまく適用できます。これは、ゼロからのマイクロバブル製造中や、蛍光およびマルチモーダル蛍光/放射性特性のモジュール式のカスタマイズ性を備えた既製のマイクロバブル製剤に適応的に適用できます。したがって、この柔軟な方法により、メカニズム、イメージング、および治療用マイクロバブルFUSアプリケーションの進歩に役立つ、カスタマイズされたトレーサブル(ラジオ、蛍光、またはラジオ/蛍光活性)マルチモーダルマイクロバブルの生成が可能になります。
マイクロバブルは、タンパク質、ポリマー、またはほとんどの場合脂質シェルによって安定化されたガスコアを持つミクロンサイズの超分子セラノスティクス剤です(図1A)。血流に注入されると、マイクロバブルは、それらのガスコア1,2が溶解する前の数分間の時間枠で超音波によって検出可能なガス/液体界面を維持する。その結果、マイクロバブルの最初の臨床使用は、リアルタイム超音波画像造影剤3としてであった。治療用焦点付き超音波(FUS)の発明により、マイクロバブルの臨床ユーティリティが拡大しました。低周波FUSによって刺激されると、マイクロバブルは振動し、一過性の血管透過化から局所組織アブレーションまで、標的を絞った調整可能な機械的力を生成します4,5。その結果、過去20年間で、マイクロバブルFUSは、血液脳関門(BBB)の開門、腫瘍(膵臓がん、脳がん、肝臓転移がんなど)の薬物およびイメージングプローブの送達、神経変性疾患治療、およびがんアブレーションについて研究されてきました6,7,8,9,10,11。
マイクロバブルのセラノスティックな武器庫は、新しくエキサイティングな方向に進歩し続けています。従来のマイクロバブル-FUS送達アプリケーションは、市販のマイクロバブルと並行して治療用またはイメージングカーゴを同時投与することに依存していました。マイクロバブルシェル/生物学的相互作用を理解し、カスタムメイドの非商用マイクロバブル製剤を探索し、マイクロバブルシェル12,13,14に直接貨物をロードしたオールインワンセラノスティックマイクロバブルを生成することにより、マイクロバブルFUS送達能力を強化することへの関心が高まっている。実際、脂質マイクロバブル薬物送達研究の約40%は、このようなシェルロードマイクロバブルを利用しています15。イメージングと薬物送達を超えて、マイクロバブルFUSは、がん放射線療法16を強化し、ソノダイナミックセラピー17,18を通じて、他の点では良性のシェルロード剤の抗腫瘍効果を活性化することにも有望であることが示されています。
マイクロバブルがんアプリケーションにおけるこれらの従来型および拡張された方向性は、放射性トレーサーでマイクロバブルシェルを標識することにより、より戦略的に進めることができます。オールインワンのカーゴロードマイクロバブルの領域では、このような放射性標識は、1)これらのロードされたマイクロバブルシェルのオンターゲットおよびオフターゲットの生体分布のゴールドスタンダードの定量的評価を促進し、2)オンターゲット送達を最大化するためのマイクロバブル組成物の最適な選択を通知する薬物動態学的構造活性相関を導き出し、3)戦略的かつ適切な画像誘導アプリケーションおよび治療計画(例:組織ターゲットの種類、 線量測定、オフターゲットの安全性懸念を軽減するための薬剤選択、従来の協調治療パラダイムと比較した有用性)オールインワンカーゴロードシステム15,19。前臨床段階では、マイクロバブルシェルの運命をこのように理解することで、より広範なマイクロバブルFUSの作用機序を明らかにすることもできます。例えば、マイクロバブルシェルから標的細胞への脂質移動は、FUS対応ソノポレーションに影響を与えることが示されている12,20。したがって、このような移植を理解し最適化することで、ソノポレーションが関与する前臨床および臨床のマイクロバブルFUS療法(in vitroトランスフェクション、薬物送達、腫瘍アブレーション、放射線感作、およびソノダイナミックセラピー20,21,22,23,24,25).二重の超音波および放射線画像施設はまた、従来の二重の薬剤設計ではなく、単一の薬剤からのFUS血管開口および治療モニタリング(例えば、BBB開口速度論)を可能にするであろう26。同様に、脂質マイクロバブル放射性標識は、マイクロバブル-FUS +放射性医薬品の同時送達プラットフォーム27に代わるオールインワンの単一薬剤マイクロバブル-FUS/放射線療法として役立つ可能性がある。
マイクロバブルの脆弱性は、このようなラベリングにとって大きな課題です。既存のすべての放射性標識戦略は、マイクロバブルの安定性とサイズを乱すことが知られている精製方法によって制限されていますが、一部のものは効果がなく不安定な放射性標識28,29,30,31,32も備えています。精製要件は、より長いプロトコルにもつながります。短寿命放射性同位元素(例えば、18F t1/2 1.8 h,28,29 99mTct 1/2 6 h,3268Ga t1/2 1 h31)の使用と組み合わせると、放射性同位元素の崩壊に関連する非効率性が生じ、放射線画像と治療計画の時間枠が狭くなります。全体として、これらの制限は、短くて代表性の低い放射線画像の取得、不正確な薬物動態データ、および非効率的な腫瘍放射性同位元素送達のリスクがあります。
本稿では、ポルフィリンの強力で安定した金属キレート化能力を活用することで、これらの制限を克服しています。ポルフィリンは、高度に共役した平面環と、さまざまな金属を収容できる中央配位部位を持つ有機複素環式高分子です。これには、銅-64(t1/2 12.7時間)、陽電子放出断層撮影法(PET)を備えた放射性医薬品、およびγ計数の実現可能性33などの長寿命放射性同位元素が含まれる。脂質骨格に結合すると、ポルフィリンは、親の非標識粒子33,34の特性を維持しながら、速度、高いキレート化効率、および血清安定性で銅-64で容易に取り込むことができる。さらに、ポルフィリンは蛍光活性があり、ナノ粒子および微粒子のモジュール式自己消光により、粒子の破壊時に回復します。PETおよびγカウントを補完する読み出しにより、バルクおよび顕微鏡の両方のシェルフェイト分析が容易になります(図1A)15。
ポルフィリン脂質をキレート剤として使用することにより、これらの特性を利用して、既存のマイクロバブル放射性標識法に関連する制限を克服する、新しいワンポットの精製不要のマイクロバブル放射性標識法(図1B、C)を生成しました。このプロトコルは、>95%の銅-64キレート化効率を達成し、標識後の精製を必要とせず、マイクロバブルの物理化学的特性を維持します。これは、活性化する前に脂質マイクロバブルの「ゼロアップ」製造に容易に統合できます(図1B)。汎用性が高く、アシル脂質鎖の長さ(C16〜C22)、電荷(中性および陰イオン性)、およびポルフィリン-脂質組成物(1 mol%、10 mol%、30 mol%)が異なるカスタムおよび市販のマイクロバブル製剤にうまく適用でき、ラジオ活性と蛍光活性の両方を持つマイクロバブルを生成します。その適応性は、ポルフィリンを超えて拡張することもできます。ワンポットプロトコールは、市販の代替キレート剤(ジエチレントリアミンペンタアセテート(DTPA)-脂質など)および蛍光色素(DiIなど)を使用するように変更することができます。また、「スパイキング」アプローチにより、既製のマイクロバブル製剤を標識するように変更することもできます。したがって、この方法により、機構、イメージング、および治療用マイクロバブルFUSアプリケーションの進歩に役立つ、カスタマイズされたトレーサブル(ラジオ、蛍光、またはデュアルラジオ/蛍光アクティブ)マイクロバブルの製造が可能になります。以下のプロトコルでは、脂質マイクロバブルの作製、ワンポット放射性標識プロトコルの適用、必要な放射性標識と物理化学的特性の特性評価、および潜在的な修飾について概説しています。
図1:マイクロバブル製造および放射性標識プロトコル (A)ポルフィリン脂質は、ピロフェオフォルビド-a-脂質の形で、このプロトコル内でマルチモーダルキレート剤として機能します。銅-64(i)にキレート化されたモノマーとして、PETおよびイメージング機能を備えています。その蛍光は粒子の形で消光され(マイクロバブル(ii)および溶解後のナノ子孫(iii))、粒子破壊(iv)で消光されません。(B)このレポートに記載されている脂質膜の水和/活性化プロトコルにより、脂質マイクロバブルをゼロから生成し、(C)脂質懸濁液形成とマイクロバブル活性化との間のワンポット放射性標識の統合。この図は、Rajora et al.15の許可を得て改作されました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
1. 試薬の調製
2. 脂質膜の形成
注:この手順では、市販のマイクロバブルDefinity®を模倣した組成物で脂質膜の形成を概説し、ポルフィリン-脂質が宿主脂質を置換し、全脂質の30 mol%を構成する。しかし、放射性標識プロトコルは、多様な脂質製剤(C16、C18、C22鎖長、中性または陰イオン電荷、さまざまなポルフィリン-脂質モル組成)に適用することができます。補足スプレッドシート(補足ファイル1)が添付されており、記載されている配合およびその他の配合の計算、組成、質量、およびストック体積を提供します。すべての脂質は、ポルフィリン-脂質、ピロフェオフォルビド-a-脂質(pyro-lipid)を除いて市販されており、その合成は以前に詳細に記載されている35,36。
3.脂質フィルムの水分補給
注:マイクロバブルを in vitro または in vivoで使用する場合は、特に指定がない限り、ステップ3.3から5.4には滅菌済みのマイクロピペットチップ、チューブ、シリンジ、および針を使用してください。
4.放射性ラベリング
注:非キレート化コントロールまたは蛍光のみのマイクロバブルについては、プロトコルセクション5にスキップしてください。
注意:特に指定がない限り、このプロトコルの手順4.4〜4.6を放射線実験室で実行してください。 64名CuCl2 は放射線学的危険性であり、皮膚への曝露、吸入、または摂取による多系統毒性のリスクがあります。可能な限り、先端がゴム製の鉗子を使用して間接的にヒュームフードで取り扱ってください。取り扱いの際は、保護用の白衣、個人用のリングとバッジの線量計、ダブルグローブを着用してください。 64CuCl2 が2インチのリードシールド全体で処理されていることを確認します。必要に応じて、鉛で覆われた容器に入れて輸送してください。廃棄物容器をふるい、使用後の汚染状況について運用調査を実施します。
5. マイクロバブルの活性化と分離
6. 放射性標識の効率の検証
7. マイクロバブル物理化学的特性評価
注:ラボが放射性サンプル処理用の指定された機器を持っていない限り、マイクロバブルの物理化学的特性評価は、非放射性の「冷たい」銅キレートサンプルを使用して実施する必要があります。この「コールド」ラベリングは、意図したアプリケーションに使用されるマイクロバブルの投与量を評価するために不可欠なマイクロバブルの収量の評価を容易にします。さらに、制御された非キレート化マイクロバブルとの比較が可能になり、放射性標識プロセスがマイクロバブルの特性を乱さないようにすることができます。この「コールド」ラベリングと関連する物理化学的特性評価は、放射性標識マイクロバブルの適用前に行うべきであり、放射性標識の変更が必要な場合にフィードバックとして使用できます(ディスカッションを参照)。
8. プロトコルの変更
放射性標識マイクロバブルを製造する際の定量化可能な主な結果は、放射性化学的純度と放射性標識効率です。このプロトコルでは、iTLCと検証済みの遠心法をそれぞれ使用して、それぞれを特徴付けます。 図2A は、全脂質の1 mol%、10 mol%、または30 mol%の組成で、宿主脂質をパイロ脂質に置換した市販のマイクロバブル模倣製剤全体で、平均≥95...
現在の脂質マイクロバブル放射性標識プロトコルは、>95%の放射性純度、>95%のキレート化効率、および標識後の精製を必要とせずにマイクロバブル物理化学的特性の保持を達成します。これらの成果は、既存のラベリングプロトコルでは達成できなかった進歩を表しています。精製手順がないため、放射性同位元素(この場合は銅-64)をより迅速に使用でき、放射性崩?...
著者らは、利益相反を報告していません。
Deborah Scollard氏とTeesha Komal氏(University Health Network Spatio-Temporal Targeting and Amplification of Radiation Response (STTARR) program、オンタリオ州トロント)の技術サービスと指導に感謝します。また、共焦点顕微鏡法の技術支援をいただいたMark Zheng氏とAlex Dhaliwal博士、および関連機器を提供してくださったAdvanced Optical Microscopy Facility(オンタリオ州トロント)にも感謝します。カナダ衛生研究所、テリー・フォックス研究所、カナダ自然科学工学研究評議会、カナダイノベーション財団、プリンセス・マーガレットがん財団、カナダ研究チェアプログラム、マクラフリンセンター、バニエ奨学金プログラム、オンタリオ大学院生奨学金プログラム、カナダ前立腺がん、ピーターバラK.M.ハンター慈善財団。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
64CuCl2 | Washington University School of Medicine, Mallinckrodt Institute of Radiology | N/A | Order in small volume (<10 µL) dissolved in 0.1 N HCl |
Acetic acid | Any company | ≥ 95% purity | |
Aluminum foil | Any company | ||
Ammonium acetate | Any company | Purity: ≥ 98% | |
Balance - analytical | Any company | Able to measure down to 0.1 mg | |
Bath sonicator | Any company | Can be heated to 69 oC | |
CC aperture - 30 micron | Beckman Coulter | A36391 | Particle diameter range: 0.6-18 um |
CC electrolyte | Beckman Coulter | 8546719 | Isoton II diluent |
CC Software | Beckman Coulter | Multisizer 4e | |
Centrifuge filter units (0.5 mL 30,000 MWCO) with compatible microcentrifuge tubes | MilliporeSigma | UFC503096 | Amicon Ultra - 0.5 mL |
Centrifuge tubes - 15 mL with caps | Any company | ||
Chloroform | Any company | Purity: ≥ 99.8% | |
Coulter counter | Beckman Coulter | B43905 | Multisizer 4e Coulter Counter |
Cover slips | VWR | 48393081 | VWR micro cover glass |
CuCl2 | Any company | Ensure not oxidized | |
CuCl2 | |||
Cuvette- quarts, 1 cm path length | Any company | ||
Cuvettes - 10 mL plastic for CC measurements | Beckman Coulter | A35471 | Coulter Counter Accuvette ST |
ddH2O | Any company | Can be obtained through an ultrapure water purification system | |
DiI (1,1'-Dioctadecyl-3,3,3',3'-Tetramethylindocarbocyanine Perchlorate) | Any company | Powder form | |
Dose calibrator | Any company | Able to read copper-64 | |
DPPA (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphate (sodium salt)) | Avanti Polar Lipids | 830855P | Powder form |
DPPC (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine) | Avanti Polar Lipids | 850355P | Powder form |
DPPE-MPEG (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-5000] (ammonium salt)) | Avanti Polar Lipids | 880200P | Powder form |
DTPA-lipid (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-diethylenetriaminepentaacetic acid (ammonium salt)) | Avanti Polar Lipids | 790106P | Powder form |
EDTA (Ethylenediaminetetraacetic acid) | Any company | ||
Gamma counter | Any company | Able to read copper-64 | |
Gamma counting tube push caps | Globe Scientific | 22-171-665 | Flanged plug caps for 12 mm tubes |
Gamma counting tubes | Sarstedt | 55.1579 | 5 mL, 75 x 12 mm, PS |
Glass beaker - 250 mL | Any company | Able to withstand temperatures up to 100 oC | |
Glass drying oven | Any company | Can be heated to 80 oC | |
Glass microliter syringes - 25, 50, 100, 1000 µL | Any company | Compatible with organic solvents | |
Glass scintillation vials - 20 mL | VWR | 66022-081 | VWR® Scintillation Vials, Borosilicate Glass, with Screw Caps, With pulp foil liner |
Glass vials - 0.5 dram | VWR | 66011-020 | VWR Vial 1/2 dram, with black phenolic screw cap and polyvinyl-faced pulp liner |
Glycerol | Sigma Aldrich | G7757-1L | Purity: ≥ 99.0% |
Graduated pipette/gun | Any company | ||
Hot/stir plate | Equipped with temperature prob for automatic tempearture control | ||
Hydrochloric acid - 0.1 N | Any company | ||
iTLC plates | Agilent | A120B12 | iTLC-SA chromatography paper |
Laboratory tissues | Any company | ||
Media vaccuum filtration unit | Any company | 0.22 micron pore size, PES membrane, 500 mL funnel capacity | |
Methanol | Any company | Purity: ≥ 99.8%, HPLC grade, meets ACS specifications | |
Microcentrifuge tubes non sterile - 1.5 mL | Any company | ||
Microcentrifuge tubes sterile - 1.5 mL | Any company | ||
Micropipetes - p1000, p200, p20, p10 | Any company | Ensure are calibrated | |
Microscope slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | Superfrost Plus Microscope Slides Precleaned |
Needles - 18 G | Sterile | ||
Parafilm | Any company | ||
PBS | Sigma Aldrich | D8537-500ML | DPBS, modified, without calcium chloride and magnesium chloride, liquid, sterile-filtered, suitable for cell culture |
PFP | FluoroMed | APF-N40HP | Purity: ≥ 99.8% |
PFP line | Any company | 1/4 inch diameter plastic hose cut about 50 cm in length | |
PFP regulator | Swagelok | SS-1RF4 and SS-4HC-1-4 | |
pH meter | Any company | ||
pH standards 4 and 7 | Any company | ||
Pipette tips for p1000, p200, p10 - non sterile | Any company | ||
Pipette tips for p1000, p200, p10 - sterile | Any company | ||
Plastic syringe - 1 mL | Any company | Sterile | |
Propylene glycol | BioShop | PRO888.500 | Purity: ≥ 99.5% |
Pyro-lipid | N/A | Made in-house | |
Rubber tipped forceps | Any company | Mix of fine-tipped and flat/square edges recommended | |
Scissors | Any company | ||
Sodium hydroxide - 1 N | Any company | ||
Sodium hydroxide - 10 N | Any company | ||
Spectrofluorometer | Any company | Capable of 410 nm excitation and 600-850 nm emission | |
Spectrofluorometry software | Horiba | FluorEssence | |
Spectrometer | Any company | ||
Syringe - 1 mL | Any company | Disposible, plastic, sterile | |
Syringe filters - 0.2 micron pore size | Any company | Membrane material: PES or other compatible with ammonium acetate/acetic acid and PBS | |
Test tube - 10 mL | |||
Triton X-100 | Any company | ||
Vacuum desicator/vacuum | Any company | ||
Vialmix | Lantheus Medical Imaging | 515030-0508 | Referred to in protocol as a mechanical vial shaker |
Weigh paper | Any company | To avoid losing product, cutting weigh paper into 3x3 cm squares is recommended |
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