Thérapie provasculaire anti-cancer à l’aide de microbulles stimulées par ultrasons afin d’augmenter l’efficacité de la radiothérapie

L'hypoxie est un mécanisme reconnu de résistance à la radiothérapie chez les tumeurs solides. Il a récemment été démontré que la cavitation de microbulles (MBs) ciblées par ultrasons (US) (UTMC) peut augmenter la perfusion sanguine dans les muscles squelettiques en déclenchant la signalisation du monoxyde d’azote (NO). Il est intéressant de noter que cet effet a été amplifié par une co-injection de nitrite de sodium et a réduit le spasme observé avec des ultrasons à haute pression et à long pulse. Comme il a été démontré que le nitrite de sodium montrait une synergie avec la radiothérapie, nous avons émis l'hypothèse que les MBSU avec une co-injection de nitrite de sodium pourraient radiosensibiliser davantage les tumeurs solides en augmentant la perfusion sanguine et ainsi réduire l'hypoxie tumorale. Nous avons évalué la capacité des MBSU avec et sans nitrite d’augmenter la perfusion dans les muscles (membres postérieurs de la souris) et les tumeurs en utilisant différentes longueurs de pulse et pressions et évalué l'efficacité de cette approche en tant que thérapie provasculaire administrée directement avant les traitements de radiothérapie. Des xénogreffes de prostate humaine (PC3) ont été cultivées bilatéralement chez des souris immunodéficientes : un côté a été traité avec des MBSU et le côté controlatéral a été utilisé comme témoin. Des transducteurs thérapeutiques (pulse long) ou cardiaques (pulse court) ont été utilisés pour traiter le tissu d'intérêt lors de l'injection de MBs par la veine caudale. Le nitrite a été injecté 5 minutes avant les MBSU lorsque cela était approprié. Les MBSU consistaient en 60 impulsions thérapeutiques, administrées à un intervalle (10-15 secondes) ajusté pour permettre le réapprovisionnement en MBs, tel que guidé par l'imagerie ultrasonore à contraste amélioré (CEUS) (Sequoia, Siemens), et était généralement administré en 15 minutes. L'augmentation de la perfusion dans la tumeur a été quantifiée par Burst Replenishment Imaging permettant une quantification longitudinale de la perfusion sanguine (A×β). Les souris ont été irradiées 10 minutes après les MBSU et la croissance tumorale a été suivie pendant 25 jours. Dans le muscle, l'augmentation de la perfusion sanguine après traitement de MBSU avec différents longs pulses était forte. 6 Dans les tumeurs soumises à de longs pulses, l'augmentation de la perfusion était significative à une faible pression (125 et 250 kPa) mais pas à plus haute pression (375, 500 et 750 kPa) par rapport au groupe contrôle (0 kPa). Lorsqu'associé à la radiothérapie, les MBSU avec des longs pulses à 250 kPa n'ont pas entraîné d'augmentation significative de l'efficacité du traitement. Les MBSU avec des pulses courts à haute pression (SONOS, 1500kPa) et co-injection de nitrite ont ensuite été validés dans le muscle. L'effet du traitement était fort. Cette augmentation de la perfusion était également visible dans les tumeurs soumises aux MBSU (SONOS) + nitrite et a duré au moins 10 minutes. Le nitrite seul n’a causé aucun changement de perfusion. De plus, les faibles réponses provasculaires observées pour les longs pulses à 750 kPa sans nitrite ont été renversées avec l'ajout de nitrite. Le SONOS a provoqué une augmentation de la perfusion, avec et sans nitrite. La validation histologique de la reperfusion dans les tumeurs traitées par SONOS + nitrite était également significative par rapport aux tumeurs recevant uniquement du nitrite. Enfin, il y a eu une amélioration de l'inhibition de la croissance pour le groupe 8 Gy + nitrite + MBSU (SONOS) lorsque comparé à 8 Gy + nitrite seul. Cet effet n'était pas significatif chez les souris traitées par MBSU (SONOS) + nitrite et recevant 0 Gy ou 2 Gy. En conclusion, la thérapie de MBSU + nitrite semble augmenter la perfusion sanguine conduisant à une efficacité accrue de la radiothérapie à 8 Gy dans notre modèle tumoral. In solid tumors, hypoxia is a recognized mechanism of resistance to radiation therapy. It has recently been shown that ultrasound (US) targeted microbubbles (MBs) cavitation (UTMC) can increase blood perfusion in skeletal muscles by triggering nitric oxide signaling. Interestingly, this effect was amplified with a sodium nitrite co-injection and reduced the spasm observed with high pressure long tone burst ultrasound. Since sodium nitrite has been shown to synergize with radiotherapy, we hypothesized that UTMC with a sodium nitrite co-injection could further radiosensitize solid tumors by increasing blood perfusion and thus reduce tumor hypoxia. We evaluated the ability of UTMC with and without nitrite to increase perfusion in muscle (mouse hindlimbs) and tumors using different pulse lengths and pressure and evaluated the efficacy of this approach as a provascular therapy given directly before radiotherapy treatments. Human prostate xenografts (PC3) were grown bilaterally in immunodeficient mice: one side was treated with UTMC, and the contralateral side was used as a control. Therapeutic transducers (long pulses) or cardiac phased array (short pulses) were used to treat the tissue of interest during the injection of MBs via the tail vein. Nitrite was injected 5 minutes before UTMC when appropriate. UTMC consisted of 60 therapeutic pulses, given at a pulse interval (10-15 seconds) adjusted to allow MB replenishment, as guided by contrast enhanced US imaging (CEUS), and was typically given in 15 minutes. The increase in perfusion in the tumor was quantified by burst replenishment imaging allowing longitudinal quantification of blood perfusion (A×B). Mice were irradiated 10 minutes after UTMC, and tumor growth followed for 25 days. In muscle, the increase in blood perfusion following UTMC treatment with various long pulses was strong. In tumors subjected to long pulses, the increase in perfusion was significant at lower M.I. (125 and 250 kPa) but not at higher M.I. (375, 500 and 750 kPa) when compared to control (0 kPa). When combined with radiotherapy, UTMC with long pulses at 250 kPa did not result in a significant increase in treatment efficacy. UTMC with short pulses (SONOS, 1500 kPa) and nitrite co-injection was then validated in muscle. The effect of treatment was strong and significative. 8 This significant increase in perfusion was also visible in tumors subjected to UTMC (SONOS) + nitrite and lasted for at least 10 minutes but not for nitrite alone. The blunted provascular responses observed for long pulses at higher M.I. without nitrite was reversed with the addition of nitrite. SONOS with and without nitrite caused an increase in perfusion. Histological validation of reperfusion in SONOS + nitrite was also significant when compared to tumors receiving only nitrite alone. Finally, there was an improved growth inhibition for the 8 Gy + nitrite + UTMC group vs. 8 Gy + nitrite alone with the SONOS therapy. This effect was not significant with mice treated by UTMC + nitrite and receiving 0 Gy or 2 Gy. In conclusion, UTMC + nitrite seemed to increase blood flow leading to an increased radiotherapy efficacy at 8 Gy in our tumor model.

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