Growth and metastasis of ocular melanoma after proton beam irradiation : studies based on animal model

Bibliogr. s. 112-125

Terapia protonowa to jedna z najbardziej obiecujących metod leczenia nowotworów zlokalizowanych wewnątrz ciała pacjentów. Dzięki unikatowym własnościom fizycznym wiązki protonów, możliwe jest jej precyzyjne dopasowanie do kształtu guza w celu zniszczenia tkanki nowotworowej przy jednoczesnej ochronie przed promieniowaniem otaczających guz tkanek prawidłowych. Terapia protonowa jest stosowana w praktyce klinicznej, jednak w literaturze brakuje badań przeprowadzonych na modelach zwierzęcych. Celem niniejszej pracy było wypełnienie tej luki. Podjęto również próbę optymalizacji obrazowania tkanek miękkich metodą mikro-tomografii komputerowej (micro-CT) na dwóch modelach zwierzęcych. Ze skrawków tkanki czerniaka Bomirskiego (Bomirski Hamster Melanoma- BHM Ma) wyprowadzono linię komórkową w celu sprawdzenia tempa proliferacji komórek. Badania na poziomie in vitro wykazały, że komórki mają krótki czas podwojenia populacji, a ich aktywność migracyjna wzrasta wraz z gęstością wysiania komórek. Do przedniej komory lewego oka chomika syryjskiego inokulowano skrawek tkanki guza BHM Ma. W pierwszej fazie obserwowano regresję skrawka, a po około 5 dniach rozpoczynał się wzrost guza. Zwierzęta z guzami w przedniej komorze oka napromieniano wiązką protonów w dawkach jednorazowych: 6, 10, 20 i 30 Gy. Dodatkowo, części zwierząt podawano lek antyangiogenny Avastin® lub witaminę D w celu wzmocnienia skuteczności terapii protonowej. Gdy guz wypełnił całą objętość przedniej komory oka zwierzęcia, wykonywano enukleację gałki ocznej. Część z wypreparowanych gałek ocznych wykorzystano w próbach optymalizacji obrazowania tkanek miękkich przy pomocy micro-CT. Zaobserwowano, że napromienianie guzów wiązką protonów w jednorazowej dawce 10 Gy skutkuje spowolnieniem ich wzrostu, czego nie zaobserwowano przy dawce 6 Gy. Zauważono, że dawka ≥ 20 Gy powoduje uszkodzenia tkanek prawidłowych struktur oka. Istotnym czynnikiem determinującym skuteczność zastosowanej terapii protonowej była wielkość guza w momencie napromieniania. Gdy objętość guza była ≤ 3 mm3 dochodziło do znacznego spowolnienia wzrostu guza, czego nie obserwowano przy napromienianiu guzów o większej objętości (powyżej 3 mm3). Unaczynienie obrazowane przy pomocy USG stanowiło stały odsetek objętości guza na poziomie 25%. Równocześnie obserwowano istotny spadek funkcjonalności naczyń, przejawiający się zmniejszeniem tempa przepływu krwi w miarę wzrostu objętości nowotworu. Zwierzęta, które napromieniano wiązką protonów, gdy guz w przedniej komorze oka miał objętość ≤ 3 mm3 przeżywały znacząco dłużej (średnio o 20 dni) niż zwierzęta, których guz był większy niż 3 mm3. Żadna z przeprowadzonych procedur terapeutycznych nie zmieniła istotnie masy przerzutów w płucach. Po enukleacji, u niektórych chomików dochodziło do odrostu guza pierwotnego w oczodole. Wznowy guza w oczodole powodowały skrócenie czasu przeżycia zwierząt przy jednoczesnej redukcji masy przerzutów. Optymalizacja protokołu przygotowania tkanek oka do obrazowania guzów metodą micro-CT umożliwiła uzyskanie wysokorozdzielczych, trójwymiarowych rekonstrukcji gałki ocznej wraz z guzem i jego unaczynieniem. Guzy BHM Ma są gęsto unaczynione w całej objętości guza co może być jedną z przyczyn gwałtownego rozsiewu tego nowotworu. W ramach powyższej pracy podjęto również próbę ustabilizowania alternatywnego modelu zwierzęcego do badania czerniaków gałki ocznej. W tym celu inokulowano komórki ludzkiego czerniaka 92.1 w ilości 10 tys. komórek do tylnej części gałki ocznej myszy SCID. Zaobserwowano wzrost guzów u 33% zwierząt w okresie do 82 dni od inokulacji. Gdy guz wypełniał całą gałkę lub gdy zauważono pogorszenie stanu zwierzęcia przeprowadzano enukleację. U żadnej myszy nie zaobserwowano przerzutów do płuc ani do wątroby. Obrazy uzyskane dzięki metodzie USG były zbyt niskiej rozdzielczości, aby przeprowadzić wiarygodną analizę ilościową stosunku objętości guza do objętości jego unaczynienia. Obrazowanie metodą micro-CT pokazało, że rozwój unaczynienia w tym modelu znacznie różni się od obserwowanego przy wzroście czerniaka BHM Ma w przedniej komorze oka chomika. Unaczynienie guza 92.1 rozwija się po zewnętrznej stronie guza a następnie przechodzi w duże, martwicze strefy. W pracy wykazano, że model zwierzęcy czerniaka BHM Ma jest przydatny do badania skuteczności protonoterapii. Obiecującym kierunkiem rozwoju wiedzy o czerniakach gałki ocznej mogą stać się badania na ludzkich komórkach dających guzy w oku u myszy SCID. Terapia wiązką protonów jest skuteczna pod warunkiem podjęcia jej na wczesnym etapie wzrostu guza (do objętości 3 mm3). Ważnym czynnikiem związanym z procesem przerzutowania jest unaczynienie guzów czerniaka, które różni się znacznie w obu modelach. Znalezienie przerzutów czerniaka u myszy pozwoliłoby na dalsze poszerzenie badań, bo przerzuty są główną przyczyną śmierci pacjentów z czerniakiem oka.

Proton therapy is one of the most promising method of treating cancers localized inside of the patient's body. Thanks to unique physical properties of protons beam, it is possible to form a beam which perfectly fits to the shape of the tumor and preserve surrounding healthy tissues. Proton therapy is used in clinical practice, but there is lack of research about this technique based on animal models. The main aim of this thesis is to fill in this gap. An attempt was also made to optimize imaging of soft tissues with micro-computed tomography (micro-CT) with the samples from two animal models. A cell culture was established from the scrap of Bomirski Hamster Melanoma (BHM Ma) tumor in order to check proliferation ratio of this cells. In vitro experiments proved, that BHM Ma cells have very short doubling time and its migration activity increase with the number of cells in the culture. A small fragment of BHM Ma tissue was implanted into anterior chamber of the Syrian hamster's left eye. During the first phase the regression of the tissue scrap was observed, and after approximately 5 days tumor started to grow. Animals with the tumors in the anterior chamber of the eyeball were irradiated with the proton beam in a single dose of 6, 10, 20 and 30 Gy. Additionally, to some of the animals antiangiogenic drug (Avastin®) or vitamin D were administrated in order to enhance effectiveness of the proton beam therapy. When the tumor completely filled the anterior chamber of the animal eye, enucleation was performed. Some of the obtained eyeballs were reserved for optimization of micro-CT imaging of soft tissues. Proton beam irradiation in a single dose of 10 Gy slowed down growth of the primary tumor. This observation was not made with a dose of 6 Gy. Irradiation with the proton beam in a single dose equal or larger than 20 Gy caused severe damage of the healthy tissues of the eyeball. An essential factor which determined effectiveness of the proton beam therapy was the size of the tumor at the time of irradiation. When the volume of the tumor was ≤ 3 mm3 at the time of irradiation, the speed of tumor growth was reduced. This observation was not valid when the size of the tumor was greater than 3 mm3 . Vascularization observed through Ultrasonography (US) imaging occupied 25% of the tumor volume during the whole time of tumor development. At the same time the reduction of vessels functionality was observed, what was manifested with the decrease of speed of the blood flow with the growth of the tumor. Animals, which were irradiated with the proton beam when the size of the tumor was ≤ 3 mm3 survived significantly longer (for approximately 20 days) than animals irradiated when the tumor was larger than 3 mm3. None of the proposed therapeutic procedures reduced the amount of metastasis in the lungs. In some cases, after the enucleation a regrowth of the primary tumor in the orbit was observed. Regrowth of the tumor caused a significant reduction of a mean survival of the animals and lack of metastasis in the lungs. Optimization of the protocol of preparation eyeballs for micro-CT imaging allowed to obtain a high quality, three- dimensional reconstructions of the eyeball, tumor and its vascularization. BHM Ma tumors are densely vascularized in the whole volume of the tumor what could be a reason for a high metastatic potential of this tumor. An attempt was made to establish an alternative in vivo model to continue research on ocular melanoma. In order to do this, 10 thousand of human melanoma cells 92.1 were implanted into the eye of SCID mice. The growth of the primary tumor was observed in 33% of animals within 82 days after implantation. Euthanasia was performed when the tumor filled in the eyeball or deterioration of health conditions were observed. There was lack of metastasis to the lungs or livers. Images obtained with US had poor resolution so it was impossible to perform a reliable quantitative analysis of the tumor and vessels volume ratio. However, micro-CT images presented that vascularization in this tumor is significantly different than the one observed in BHM Ma tumors in the hamster eye. Vascularization of the 92.1 tumor is well developed in the outturn parts of the tumor and transform to large, necrotic spheres inside of the tumor. This thesis states that in vivo model of BHM Ma tumor is useful in terms of testing effectiveness of proton beam therapy. An interesting alternative could be research on human cancer cells implanted into an eye of SCID mice. Proton beam therapy is effective if it is performed at early stage of tumor development (volume ≤ 3 mm3). An important factor which differ this two models is vascularization. A new direction that should be tasted is finding metastasis in mice with human melanoma, because this is the main reason of death of patients with ocular melanoma.