Identifying Barriers in Extracellular Matrix for Ultrasound-Mediated Delivery of Nanoparticles in 4T1, KPC and CT26 Tumor Models

Abstract

En av utfordringene ved dagens kreftbehandlinger er at kun en liten del av medisinene akkumuleres i svulsten. Man tror noe av grunnen til dette skyldes at den ekstracellulære matriksen (ECM) i svulstvevet er ekstra tettpakket. Hyaluronsyre og kollagen er to ECM komponenter som ofte henger sammen med dårligere prognoser, og man tror at disse kan hindre medisiner fra å trenge gjennom svulstvevet. Avanserte nanopartikkel medikamentleveringssystemer har blitt utviklet for å øke oppsamlingen av medisin i svulsten, og i tillegg, øke penetrasjonsdistansen i svulstvevet slik at medisinene når alle kreftcellene. Ultralyd-mediert levering av medikamentlastede nanopartikler er en av disse. Teknikken utnytter interaksjonene mellom mikrobobler og ultralyd som mekanisk påvirker svulstvevet slik at oppsamlingen og penetrasjonen av nanopartikler inn i svulstvevet øker.

I dette arbeidet så vi på tre murine svulstmodeller: 4T1 brystkreft, CT26 tarmkreft og KPC pankreaskreft. Arealfraksjonene av hyaluronsyre og kollagen ble karakterisert i tynne fryste svulstsnitt ved konfokal laserskanning mikroskopi. Hyaluronsyren ble avbildet gjennom immunfarging, og kollagenet ble avbildet gjennom det andreharmoniske signalet. For å evaluere effekten av disse ECM komponentene på medikamentlevering, ble fluorescerende liposomer injisert i svulstene og ekstravaseringsavstanden fra blodårene inn i svulstvevet ble studert. Halvparten av svulstene fikk også ultralyd og mikroboble (USMB) behandling for å se på effekten behandlingen og om den kunne forbedre leveringen av liposomene gjennom den tettpakkede ECM-en inn i svulstvevet.

Resultatene viste at KPC svulstene hadde høyere arealfraksjon av både hyaluronsyre og kollagen sammenlignet med 4T1 og CT26 svulstene, men forskjellen var ikke statistisk signifikant. Verdiene for arealfraksjonene av hyaluronsyre og kollagen var også sammenlignbare med litteraturen. Det ble også funnet at den gjennomsnittlige ekstravaseringsavstanden, var kortere for de USMB-behandlede KPC svulstene, sammenlignet med de USMB-behandlede 4T1 og CT26 svulstene. Dette indikerer at både hyaluronsyre og kollagen kan være barrierer for levering av medisiner til svulster. I tillegg, indikerer det at USMB behandling kan øke ekstravaseringsavstanden for noen svulstmodeller og ikke øke den i andre svulstmodeller.

Til slutt er det viktig å si at den kortere gjennomsnittlige ekstravaseringsavstanden i KPC svulstene kan ha blitt forårsaket av en tettere ECM, men siden resultatene i denne studien ikke var statistisk signifikante og var basert på et relativt lite antall prøver kan man ikke konkludere med det. Andre parametere som ikke ble studert kan også ha bidratt til denne forskjellen, og mer forskning trengs for å identifisere de viktigste barrierene for medisinlevering i kreft. Selv om resultatene ikke var entydige, bidrar studier som denne med å belyse mekanismer for ineffektive behandlingsmetoder og er et viktig steg på veien til å kurere kreft.

One of the challenges with cancer therapies today, is that only a small fraction of the drug accumulates in the tumor. The dense extracellular matrix (ECM) in tumor tissues is thought to be a reason for this. Hyaluronic acid and collagen are two ECM constituents that are often linked to poor prognosis and are theorized to be barriers that could hinder drug penetration into the tumor interstitium. Advanced nanoparticle drug-delivery systems have been developed to increase the tumor accumulation and drug penetration so that the drugs reach all the cancer cells. Ultrasound-mediated delivery of drug-loaded nanoparticles is one of these. This technique uses the interactions between microbubbles and ultrasound that mechanically influence the tumor tissue to increase the uptake and penetration of nanoparticles.

This work studied three murine tumor models: 4T1 breast cancer, CT26 colon cancer, and KPC pancreatic cancer. The area fractions of hyaluronic acid and collagen were characterized in thin frozen tumor sections using confocal laser scanning microscopy. Imaging of the hyaluronic acid was through immunostaining and the collagen was imaged using second harmonic generation. To evaluate the effect of these ECM constituents on drug delivery, the tumors were injected with fluorescently labeled liposomes, and the extravasation distance of these liposomes from the blood vessels into the tumor interstitium was studied. Half of the tumors were also treated with ultrasound and microbubbles (USMB), to evaluate the effect of this treatment method and see if it could improve the penetration of the liposomes through the dense ECM into the tumor interstitium.

It was found that the KPC tumors had larger area fractions of hyaluronic acid and collagen compared to the 4T1 and CT26 tumors, although not statistically significant. The values for the area fractions of hyaluronic acid and collagen were in accordance with the range of values reported in the literature. The mean extravasation distance was shorter for the USMB-treated KPC tumors compared to the USMB-treated 4T1 and CT26 tumors. This indicates that both hyaluronic acid and collagen can be barriers to drug penetration into the interstitium. It also indicates that ultrasound and microbubble treatment can increase the extravasation distance of drugs for some tumor models, and not for others.

Lastly, it is possible that the shorter mean extravasation distance in the KPC tumors was due to the denser ECM. However, since the results in this study were not statistically significant and came from a small sample size one cannot be sure. Several other parameters could have contributed to the discrepancy, and more research is needed to identify the main barriers for drug delivery. Even though the results were not conclusive, studies like this illuminate the mechanisms for ineffective treatment of cancer and are an important step on the path to curing cancer.