Acoustic Cluster Therapy (ACT) and Induced Immune Response

Abstract

Fremgang i kreftbehandling har vært begrenset av vaskulære barrierer som hindrer tilstrekkelig levering av kreftmedisiner til svulster. Ultralydassistert behandling i kombinasjon med mikrobobler har vist seg å ha et stort potensiale innenfor legemiddeltilførselen. I denne sammenhengen fremheves Acoustic Cluster Therapy (ACT) som et nytt konsept for å øke vaskulær permeabilitet og forhøye ekstravasjon, samtidig som det byr på å imøtekomme begrensninger ved konvensjonelle mikrobobler. Ultralyd med lav intensitet brukes i ACT for å aktivere klynger bestående av mikrobobler og mikrodråper som kombineres for å danne forstørrede mikrobobler som avsettes i blodårene. Ytterligere eksponering av ultralyd frembringer kontrollerte oscillasjoner av de forstørrede mikroboblene som videre induserer kavitasjon. Dette fører til økt akkumulering av legemidler som administreres samtidig som ACT-klyngene, i tillegg til forbedret penetrering av medisinene til svulsten. De biomekaniske effektene som utøves av ACT-boblene kan mulig forårsake minimale skader på endotelceller, som kan bidra til rekruttering av immunceller.

Formålet med denne studien var å undersøke om behandling med ACT kan indusere en immunrespons i kreftvev, ved å studere infiltrasjon av nøytrofile granulocytter og makrofager, og ved å vurdere den spesifikke organisasjonen av disse cellene i tumorvevet. Dette ble utført ved å bruke flowcytometri til å kvantifisere nøytrofile og makrofagpopulasjoner i enkeltcellesuspensjoner laget av solide svulster skåret ut ved forskjellige tidsintervaller etter behandling, og ved å kvalitativt analysere fordelingen av immuncellene i ulike områder i frosne snitt av tumorvev, ved bruk av immunhistokjemi og konfokal laserskanningsmikroskopi.

Flowcytometry-analyse påviste redusert levedyktighet av celler i svulster 24 og 72 t etter behandling med ACT, sammenlignet med svulster 1 t etter ACT. Redusert cellelevedyktighet ble også observert for ACT svulster på 24 t tidspunktet sammenlignet med kontrollene. Ved evaluering av infiltrasjon og forsvinning av immunceller etter ultralydbehandling ble det funnet en økning i immunceller 24 t etter ACT, etterfulgt av et forfall til basisnivåer 72 t etter behandling. CLSM-analyse viste forhøyede prosentandeler av makrofager innenfor den invasive marginen sammenlignet med svulstkjernen 24 t etter ACT, samt en reduksjon i nøytrofilprosent i svulster 1 t etter ACT sammenlignet med kontrollene. I tillegg ble områder med hårsekkinflammasjon identifisert, som trolig førte til økt infiltrasjon av immunceller til kreftvev. Grunnarbeidet i dette prosjektet kan gi verdifull informasjon for fremtidige undersøkelser av effekten ACT har på immunsystemet.

Progress in cancer treatment has been limited by inadequate delivery of therapeutic agents to tumour tissue. Ultrasound-mediated techniques in combination with microbubbles has shown great promise in improving drug delivery. In this regard, Acoustic Cluster Therapy (ACT) has emerged as a novel concept to increase vascular permeability and enhance drug extravasation, while also addressing the limitations of conventional microbubbles. Low intensity ultrasound is used in ACT to activate intravenously injected clusters of microbubbles and microdroplets which combine to form enlarged bubbles that are deposited in the microvasculature. Further US exposure generates controlled volume oscillations of the microbubbles, inducing cavitation which increases vascular permeability and enhances extravasation and drug uptake of co-administered drugs. The biomechanical effects exerted by the ACT bubbles might cause minor damages to endothelial cells, potentially resulting in immune cell recruitment.

Thus, this study sought to investigate whether ACT had induced an immune response, by studying the infiltration of neutrophils and macrophages in tumour tissue after treatment with ACT, and by examining the specific organisation of these immune cells within the tumour tissue. This was performed by using flow cytometry to quantify neutrophil and macrophage populations in single cell suspensions made from solid tumours excised at various time intervals after treatment, and by qualitatively analysing the distribution of the immune cells within various areas in frozen sections of tumour tissue, using immunohistochemistry and confocal laser scanning microscopy.

Flow cytometry analysis revealed decreased cell viability in tumours 24 and 72 h after treatment with ACT, compared to tumours 1 h post ACT. Reduced cell viability was also observed for ACT tumours compared to controls at the 24 h time point. In evaluating the infiltration and disappearance of immune cells after ultrasound treatment, an increase in immune cells at 24 h post ACT, followed by a return to baseline levels at 72 h post treatment was observed. CLSM analysis showed elevated percentages of macrophages within the invasive margin compared to the core tumour at 24 h post ACT, as well as a reduction in neutrophil percentage in tumours 1 h after ACT compared to controls. Moreover, the presence of neutrophilic folliculitis was identified. The groundwork laid in this study could provide valuable insight for future investigations of ACT on immunogenicity.