Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) as a multimodality imaging probe for sentinel nodes : Design and Preclinical Evaluation

Abstract

Breast cancer and malignant melanoma disseminate through the lymphatic system and the first metastases arise in one or two regional, sentinel lymph nodes (SLNs) draining the primary tumour site. Therefore, identification and characterization of the SLNs is of major importance for cancer staging and for choice of therapy in patients. The standard clinical procedure relies on lymphoscintigraphy after intradermal injection of radiolabelled colloids (such as 99mTc-Nanocolloid in Europe) and blue dye to identify the SLNs intra-operatively. Resected SLN-biopsies are then sent for histopathological analysis. This technique, however, is limited by the non-specificity of the tracer, lack of anatomical structures as reference in scintigraphic images, and involves a tight schedule between surgery and pathological examination. In Papers I and II, we propose a new generation tracers (probes) based on superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs) radiolabelled with Tc-99m and Cy 5.5 Alexa Fluor. SPIONs have the great advantage to be produced within a narrow size distribution (20-50 nm) optimal for transport via lymphatic vessels and accumulate in SLNs. Owing to their large surface-to-volume ratio and biocompatible coating; a high radiolabelling yield was demonstrated. After subcutaneous injection of the probe in the hind paw of Wistar rats, 99mTc-SPION-Cy 5.5 the SLNs were easily identified SPECT-MRI and optical imaging modalities. In Paper III and V, a fast one-step radiolabelling method was developed to conjugate 68Ga-SPIONs and 64Cu-SPIONs for positron emission tomography (PET), MRI, and Cherenkov luminescence imaging (CLI) of SLNs. After administration of the probes as in the previous papers in rats and mice, quantitative PET and MRI images were acquired simultaneously. The images clearly depicted the SLNs. A benefit of CLI is that they enable intra-operative optical imaging without the use of toxic fluorophores. In Paper IV non-homogeneous activity distribution in SLN was demonstrated by using digital autoradiography images (DARG), and together with data acquired from biodistribution of the agents in rats from Paper I-III and V, the absorbed doses were calculated for the different radionuclides. It has been shown that the common approach of medical intern radiation doses, MIRD, assuming a homogenous activity distribution it may underestimate the absorbed dose in some regions in SLN.

Abstract (Swedish)

Bröst- och hudcancerceller sprider sig via lymfatiska systemet och fastnar i en eller två regionala sentinel lymfnoder (SLN) där de med stor sannolikhet växer till metastaser. Därför är SLN-biopsier och relaterade histopatologiska undersökningar viktiga vid cancerdiagnostiken för att bestämma sjukdomsstatus och att från denna kunna bestämma rätt behandling. Patienter vars lymfnoder innehåller spridda cancerceller har nämligen ofta en sämre prognos.

För gällande kliniska rutinproceduren injiceras radioaktivt märkta små partiklar (sk kolloider) direkt under huden på patienten och i nära anslutning till tumörområdet. Efter några timmar har en del av kolloiderna ansamlats i SLN och kan där avbildas med en gammakamera för att identifiera läget på lymfkörteln, som skall avlägsnas för biopsi. Dessa bilder visar dock bara upptag och innehåller ingen anatomisk vägledning som kirurgen kan orientera sig efter. Därför injiceras även ett blått spårämne som färgar lymfnoderna och även lymfvägen ifrån tumörområdet, exempelvis mot armhålan. Därefter mäts mängden radioaktivitet i de blåa noderna med hjälp av en handhållen detektor. Den nod med högst mätvärde antas då vara SLN. Denna skärs då bort och undersöks, med avseende på närvaro av cancerceller, genom mikroskopi under tiden som själva primärtumören tas bort. Hela proceduren verkar vara ganska enkelt men har flera steg att ta hänsyn till, nämligen a) att man använder flera spårämnen varav ingen av dem är speciellt specifik, b) man utsätter personal för en liten men dock en stråldos och c) proceduren kräver en djup erfarenhet av kirurgen.

Målet med delprojekten i avhandlingen var därför att utveckla ett bättre spårämne, som är baserat på järnoxid-nanopartiklar, s.k. SPIONs och som storleksmässigt är optimala för att snabbt transporteras från injektionsstället via lymfan till SLN. Detta spårämne kan sedan avbildas med, exempelvis, en magnetresonanskamera (MRI). Trots fördelarna med en hög upplösningen och frånvaron av joniserande strålning har MR-kameran en dålig känslighet jämfört med de nuklearmedicinska bildgivande systemen SPECT och PET. Därför märktes SPIONs också kemiskt med radionukliden 99mTc. I Arbete I beskrivs här en effektiv inmärkningsprocess av 99mTc med högt utbyte. Efter att ha injicerat i huden på bakbenen hos råttor kunde SLN avbildas med både MR och SPECT system. Dessutom kunde 99mTc-SPIONs också detekteras med den handhållna detektorn under själva biopsitagningen. 99mTc-SPIONs biokinetik i råttor studerades också och med avseende på i vilka andra organ spårämnes ansamlades. Djurstudier är i allmänhet ett viktigt steg för att kunna uppskatta strålningsrelaterade effekter och andra toxiska risker innan ämnet kan användas på patienter.
I Arbete II, kopplade vi fluorophor-molekyler (Cy 5.5, Alexa Fluor) till de radioaktivt-märkta 99mTc-SPIONs. Målet var att ersätta de två olika spårämnena (99mTc-kolloider och det blå färgämnet) med en enda ”probe” som kan avbildas med både SPECT och MR och även med en sk ”bed-side” optisk kamera som kan ”lysa upp” SLN:na under biopsin. I detta arbete har även utförts en biokinetiksstudie av 99mTc-SPIONs-Alexa Fluor. I samband med dessa studier har SLN:er innehållande radioaktivitet frysts, snittats och monterats på mikroskopiglas för att undersökas med digital autoradiografi (DARG) och fluorescens-mikroskopi. Aktivitetsfördelningen överensstämde väl med mikroskopibilderna. Partiklarna förekom som förväntat mest extracellulärt, i de subkapsulära sinusarna och i hilum i SNL.
De senaste åren har utvecklingen inom onkologi skett snabbt och SPECT/CT kameror har kompletterats med PET/CT system som med modern teknik ger bilder med bättre rumsupplösning.
För att kunna utföra kvantitativa, dynamiska biokinetik studier, har vi i Arbete III och V, utvecklat en 68Ga-SPION variant med halveringstiden 68 min och en 64Cu-SPION med en längre halveringstid av 12.7 h för att användas på PET/MR system. Vi har också, i detta arbete, visat att 68Ga-SPIONs även kan användas vid Cherenkov Luminescense Imaging (CLS). Detta är en typ av optisk bildtagning som kan lämpa sig för biopsier, liknande sätt som med hjälp av fluorophor. Fördelen med fluorophoren är dess längre våglängd jämfört med den blå våglängd som används vid CLS. Däremot vid 68Ga-fallet, själva radionukliden som emitterar ljuset (när elektronerna bromsas upp i vävnaden och genom växelverkan avger sin energi). Detta medför att tiden för inmärkning för 68Ga-SPIONs kan halveras, och injektion av eventuella toxiska fluorophorer kan undvikas. Både metoderna använder samma typ av CCD kamera för själva optiska bildgivningen.

Arbete IV fokuseras mot dosimetri för dessa undersökningar. Målet med detta arbete var att jämföra aktivitetsfördelningen i patienters SLN med den fördelning i SNL man kan se i djur SLN och vi har studerat dessa fördelningar för olika radionuklider och deras dosimetriska egenskaper. Istället för att använda organ-baserat dosberäkningar har vi utgått ifrån DARG-bilderna där vi segmenterar olika volymer, baserat på skillnader i aktivitetskoncentrationer. Resultaten visar att den absorberade dosfördelningen också är heterogen inom SLN, och den absorberade dosen kan vara upp till 4 ggr högre i vissa delar av SNL jämför med om man hade räknat med jämt radioaktivitetsfördelning.

• author: Madru, Renata
• supervisor: Sven-Erik Strand; Linda Knutsson; Freddy Ståhlberg
• opponent: Professor emerita Lund, Eva, Department of Medical and Health Sciences (IMH), Linköping University, Sweden
• organization: Medical Radiation Physics, Lund; BioCARE: Biomarkers in Cancer Medicine improving Health Care, Education and Innovation
• publishing date: 2018-04
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Natural Sciences
• keywords: iron oxide, nanoparticles, SPIONs, PET-MRI, SPECT-MRI, SPECT-MRI- optical imaging, sentinel lymph node, SNL
• pages: 70 pages
• defense location: Lecture Hall F3, Main building, Skåne University Hospital, Lund
• defense date: 2018-05-17 09:00:00
• ISBN: 978-91-7753-685-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 4ca74f34-dccc-4cbe-b246-29a33a3172ec
• date added to LUP: 2018-04-23 15:35:40
• date last changed: 2019-03-29 15:27:19