Прижизненное МРС исследование долгосрочных последствий травматической внутричерепной инъекции культуральной среды у мышей
https://doi.org/10.18699/VJGB-23-74
Аннотация
Ортотопическая ксенотрансплантация клеток глиобластомы в головной мозг лабораторных мышей – распространенная животная модель для изучения опухолей головного мозга. Показано, что 1Н магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) позволяет отслеживать возникновение опухоли и ее развитие в процессе терапии по соотношению нескольких метаболитов. Однако при изучении новых подходов в терапии глиобластомы на модели ортотопической ксенотрансплантации клеток глиомы в головной мозг мышей необходимо понимать, какие изменения уровней метаболитов являются следствием роста опухоли, а какие – результатом инъекции опухолевых клеток в головной мозг в процессе моделирования патологии. В настоящее время отсутствуют данные о динамике метаболических процессов в головном мозге, возникающих после введения клеток глиобластомы в мозг мышей. Мало также данных об отсроченных последствиях инвазивного повреждения головного мозга. Поэтому в нашей работе исследуется долговременная динамика нейрометаболического профиля, оцененного с применением 1H МРС, после внутричерепной инъекции культуральной среды, используемой при ортотопическом моделировании глиомы у мышей. Уровни N-ацетиласпартата, N-ацетиласпартилглутаминовой кислоты, мио-инозитола, таурина, глутатиона, суммы глицерофосфохолина и фосфохолина, глутаминовой кислоты (Glu), глутамина (Gln) и гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) указывают на паттерны нейрометаболитов на ранней стадии после внутричерепной инъекции, схожие с таковыми при травме головного мозга. Большинство метаболитов, за исключением Gln, Glu и ГАМК, возвращались к исходным значениям на 28-й день после инъекции. Прогрессирующее увеличение соотношения Glu/Gln и Glu/GABA до 28 дней после операции потенциально указывает на нарушение обмена этих метаболитов или усиление нейропередачи. Таким образом, данные свидетельствуют о том, что восстановительные процессы в основном завершаются на 28-й день после травматического события в ткани головного мозга, оставляя открытым вопрос о нарушении нейромедиаторной системы. Соответственно, при использовании животных моделей глиомы человека исследователи должны четко различать, какие изменения нейрометаболитов являются реакцией на саму инъекцию раковых клеток в головной мозг, а какие процессы могут свидетельствовать о раннем развитии опухоли головного мозга. Это важно иметь в виду при моделировании глиобластомы человека у мышей и мониторинге новых методов лечения. Кроме того, полученные данные могут быть важны при разработке подходов к неинвазивной диагностике черепно-мозговой травмы, а также при мониторинге процессов восстановления и реабилитации пациентов после некоторых операций на головном мозге.
Об авторах
О. Б. ШевелевРоссия
Новосибирск
О. П. Черкасова
Россия
Новосибирск
И. А. Разумов
Россия
Новосибирск
Е. Л. Завьялов
Россия
Новосибирск
Список литературы
1. Ashwal S., Holshouser B., Tong K., Serna T., Osterdock R., Gross M., Kido D. Proton spectroscopy detected myoinositol in children with traumatic brain injury. Pediatr. Res. 2004;56(4):630-638. DOI: 10.1203/01.PDR.0000139928.60530.7D.
2. Atkinson M., Juhasz C., Shah J., Guo X., Kupsky W., Fuerst D., Johnson R., Watson C. Paradoxical imaging findings in cerebral glio mas. J. Neurol. Sci. 2008;269(1-2):180-183. DOI: 10.1016/j.jns.2007.12.029.
3. Barker F.G. 2nd, Chang S.M., Huhn S.L., Davis R.L., Gutin P.H., McDermott M.W., Wilson C.B., Prados M.D. Age and the risk of anaplasia in magnetic resonance-nonenhancing supratentorial cerebral tumors. Cancer. 1997;80(5):936-941.
4. Brooks W.M., Friedman S., Gasparovic C. Magnetic resonance spectroscopy in traumatic brain injury. J. Head Trauma Rehabil. 2001; 16(2):149-164. DOI: 10.1097/00001199-200104000-00005.
5. Bulik M., Jancalek R., Vanicek J., Skoch A., Mechl M. Potential of MR spectroscopy for assessment of glioma grading. Clin. Neurol. Neurosurg. 2013;115(2):146-153. DOI: 10.1016/j.clineuro.2012.11.002.
6. Cantu D., Walker K., Andresen L., Taylor-Weiner A., Hampton D., Tesco G., Dulla C.G. Traumatic brain injury increases cortical glutamate network activity by compromising GABAergic control. Cereb. Cortex. 2015;25(8):2306-2320. DOI: 10.1093/cercor/bhu041.
7. Castillo M., Smith J.K., Kwock L., Wilber K. Apparent diffusion coefficients in the evaluation of high-grade cerebral gliomas. Am. J. Neuroradiol. 2001;22(1):60-64.
8. Chaumeil M.M., Lupo J.M., Ronen S.M. Magnetic resonance (MR) metabolic imaging in glioma. Brain Pathol. 2015;25(6):769-780. DOI: 10.1111/bpa.12310.
9. Dass C.R., Choong P.F. GFP expression alters osteosarcoma cell biology. DNA Cell Biol. 2007;26(8):599-601. DOI: 10.1089/dna.2006.053.
10. FELASA working group on revision of guidelines for health monitoring of rodents and rabbits; Mähler Convenor M., Berard M., Feinstein R., Gallagher A., Illgen-Wilcke B., Pritchett-Corning K., Raspa M. FELASA recommendations for the health monitoring of mouse, rat, hamster, guinea pig and rabbit colonies in breeding and experimental units. Lab. Anim. 2014;48(3):178-192. DOI: 10.1177/0023677213516312.
11. Fisher S.K., Novak J.E., Agranoff B.W. Inositol and higher inositol phosphates in neural tissues: homeostasis, metabolism and functional significance. J. Neurochem. 2002;82(4):736-754. DOI: 10.1046/j.1471-4159.2002.01041.x.
12. Ginsberg L.E., Fuller G.N., Hashmi M., Leeds N.E., Schomer D.F. The significance of lack of MR contrast enhancement of supratentorial brain tumors in adults: histopathological evaluation of a series. Surg. Neurol. 1998;49(4):436-440. DOI: 10.1016/s0090-3019(97)00360-1.
13. Goodenberger M.L., Jenkins R.B. Genetics of adult glioma. Cancer Genet. 2012;205(12):613-621. DOI: 10.1016/j.cancergen.2012.10.009.
14. Gruetter R. Automatic, localized in vivo adjustment of all first-and
15. second-order shim coils. Magn. Reson. Med. 1993;29(6):804-811. DOI: 10.1002/mrm.1910290613.
16. Guerriero R.M., Giza C.C., Rotenberg A. Glutamate and GABA imbalance following traumatic brain injury. Curr. Neurol. Neurosci. Rep. 2015;15(5):27. DOI: 10.1007/s11910-015-0545-1.
17. Gupte R., Christian S., Keselman P., Habiger J., Brooks W.M., Harris J.L. Evaluation of taurine neuroprotection in aged rats with traumatic brain injury. Brain Imaging Behav. 2019;13(2):461-471. DOI: 10.1007/s11682-018-9865-5.
18. Haddad A.F., Young J.S., Amara D., Berger M.S., Raleigh D.R., Aghi M.K., Butowski N.A. Mouse models of glioblastoma for the evaluation of novel therapeutic strategies. Neurooncol. Adv. 2021; 3(1):vdab100. DOI: 10.1093/noajnl/vdab100.
19. Hall E.D., Sullivan P.G., Gibson T.R., Pavel K.M., Thompson B.M., Scheff S.W. Spatial and temporal characteristics of neurodegeneration after controlled cortical impact in mice: More than a focal brain injury. J. Neurotrauma. 2005;22(2):252-265. DOI: 10.1089/neu.2005.22.252.
20. Harris J.L., Yeh H.W., Choi I.Y., Lee P., Berman N.E., Swerdlow R.H., Craciunas S.C., Brooks W.M. Altered neurochemical profile after traumatic brain injury: 1H-MRS biomarkers of pathological mechanisms. J. Cereb. Blood Flow Metab. 2012;32(12):2122-2134. DOI: 10.1038/jcbfm.2012.114.
21. Hishii M., Matsumoto T., Arai H. Diagnosis and treatment of earlystage glioblastoma. Asian J. Neurosurg. 2019;14(2):589-592. DOI: 10.4103/ajns.AJNS_18_19.
22. Hyare H., Thust S., Rees J. Advanced MRI techniques in the monitoring of treatment of gliomas. Curr. Treat. Options Neurol. 2017; 19(3):11. DOI: 10.1007/s11940-017-0445-6.
23. Kierans A.S., Kirov I.I., Gonen O., Haemer G., Nisenbaum E., Babb J.S., Grossman R.I., Lui Y.W. Myoinositol and glutamate complex neurometabolite abnormality after mild traumatic brain injury. Neurology. 2014;82(6):521-528. DOI: 10.1212/WNL.0000000000000105.
24. Lescot T., Fulla-Oller L., Po C., Chen X.R., Puybasset L., Gillet B., Plotkine M., Meric P., Marchand-Leroux C. Temporal and regional changes after focal traumatic brain injury. J. Neurotrauma. 2010; 27(1):85-94. DOI: 10.1089/neu.2009.0982.
25. Li J., Zhao C., Rao J.S., Yang F.X., Wang Z.J., Lei J.F., Yang Z.Y., Li X.G. Structural and metabolic changes in the traumatically injured rat brain: high-resolution in vivo proton magnetic resonance spectroscopy at 7 T. Neuroradiology. 2017;59(12):1203-1212. DOI: 10.1007/s00234-017-1915-y.
26. Li Y., Liu K., Li C., Guo Y., Fang J., Tong H., Tang Y., Zhang J., Sun J., Jiao F., Zhang Q., Jin R., Xiong K., Chen X. 18F-FDG PET combined with MR spectroscopy elucidates the progressive metabolic cerebral alterations after blast-induced mild traumatic brain injury in rats. Front. Neurosci. 2021;15:593723. DOI: 10.3389/fnins.2021.593723.
27. Maas A.I., Stocchetti N., Bullock R. Moderate and severe traumatic brain injury in adults. Lancet Neurol. 2008;7(8):728-741. DOI: 10.1016/S1474-4422(08)70164-9.
28. Menshanov P.N., Akulov A.E. The neurochemical profile of the hippocampus in isoflurane-treated and unanesthetized rat pups. Interdiscip. Toxicol. 2015;8(3):113-117. DOI: 10.1515/intox-2015-0017.
29. Miyai M., Tomita H., Soeda A., Yano H., Iwama T., Hara A. Current trends in mouse models of glioblastoma. J. Neurooncol. 2017; 135(3):423-432. DOI: 10.1007/s11060-017-2626-2.
30. Moffett J.R., Ross B., Arun P., Madhavarao C.N., Namboodiri A.M. N-Acetylaspartate in the CNS: from neurodiagnostics to neurobiology. Prog. Neurobiol. 2007;81(2):89-131. DOI: 10.1016/j.pneurobio.2006.12.003.
31. Nelson S.J., Cha S. Imaging glioblastoma multiforme. Cancer J. 2003; 9(2):134-145. DOI: 10.1097/00130404-200303000-00009.
32. Niu X., Zheng S., Liu H., Li S. Protective effects of taurine against inflammation, apoptosis, and oxidative stress in brain injury. Mol. Med. Rep. 2018;18(5):4516-4522. DOI: 10.3892/mmr.2018.9465.
33. Ostrom Q.T., Cote D.J., Ascha M., Kruchko C., Barnholtz-Sloan J.S. Adult glioma incidence and survival by race or ethnicity in the United States from 2000 to 2014. JAMA Oncol. 2018;4(9):12541262. DOI: 10.1001/jamaoncol.2018.1789.
34. Ostrom Q.T., Cioffi G., Gittleman H., Patil N., Waite K., Kruchko C., Barnholtz-Sloan J.S. CBTRUS statistical report: Primary brain and other central nervous system tumors diagnosed in the United States in 2012–2016. Neuro Oncol. 2019;21(Suppl. 5):v1-v100. DOI: 10.1093/neuonc/noz150.
35. Porcari P., Hegi M.E., Lei H., Hamou M.F., Vassallo I., Capuani S., Gruetter R., Mlynarik V. Early detection of human glioma sphere xenografts in mouse brain using diffusion MRI at 14.1 T. NMR Biomed. 2016;29(11):1577-1589. DOI: 10.1002/nbm.3610.
36. Provencher S.W. Automatic quantitation of localized in vivo 1H spectra with LCModel. NMR Biomed. 2001;14(4):260-264. DOI: 10.1002/nbm.698.
37. Ratai E.M., Gilberto González R. Clinical magnetic resonance spectroscopy of the central nervous system. Handb. Clin. Neurol. 2016; 135:93-116. DOI: 10.1016/B978-0-444-53485-9.00005-2.
38. Rodríguez-Rodríguez A., Egea-Guerrero J.J., Murillo-Cabezas F., Carrillo-Vico A. Oxidative stress in traumatic brain injury. Curr. Med. Chem. 2014;21(10):1201-1211. DOI: 10.2174/0929867321666131217153310.
39. Singh K., Trivedi R., Haridas S., Manda K., Khushu S. Study of neurometabolic and behavioral alterations in rodent model of mild traumatic brain injury: a pilot study. NMR Biomed. 2016;29(12):17481758. DOI: 10.1002/nbm.3627.
40. Söbbeler F.J., Carrera I., Pasloske K., Ranasinghe M.G., Kircher P., Kästner S.B.R. Effects of isoflurane, sevoflurane, propofol and alfaxalone on brain metabolism in dogs assessed by proton magnetic resonance spectroscopy (1H MRS). BMC Vet. Res. 2018;14(1):69. DOI: 10.1186/s12917-018-1396-1.
41. Stockhammer F., Plotkin M., Amthauer H., van Landeghem F.K., Woi ciechowsky C. Correlation of F-18-fluoro-ethyl-tyrosin uptake with vascular and cell density in non-contrastenhancing gliomas. J. Neurooncol. 2008;88(2):205-210. DOI: 10.1007/s11060-008-9551-3.
42. Sugahara T., Korogi Y., Kochi M., Ikushima I., Hirai T., Okuda T., Shigematsu Y., Liang L., Ge Y., Ushio Y., Takahashi M. Correlation of MR imaging-determined cerebral blood volume maps with histologic and angiographic determination of vascularity of gliomas. AJR Am. J. Roentgenol. 1998;171(6):1479-1486. DOI: 10.2214/ajr.171.6.9843274.
43. Tan A.C., Ashley D.M., Lopez G.Y., Malinzak M., Friedman H.S., Khasraw M. Management of glioblastoma: State of the art and future directions. CA Cancer J. Clin. 2020;70(4):299-312. DOI: 10.3322/caac.21613.
44. Tiwari V., Mashimo T., An Z., Vemireddy V., Piccirillo S., Askari P., Hulsey K.M., Zhang S., de Graaf R.A., Patel T.R., Pan E., Mickey B.E., Maher E.A., Bachoo R.M., Choi C. In vivo MRS measurement of 2-hydroxyglutarate in patient-derived IDH-mutant xenograft mouse models versus glioma patients. Magn. Reson. Med. 2020;84(3):1152-1160. DOI: 10.1002/mrm.28183.
45. Tkac I., Starcuk Z., Choi I.-Y., Gruetter R. In vivo 1H NMR spectroscopy of rat brain at 1 ms echo time. Magn. Reson. Med. 1999;41(4): 649-656. DOI: 10.1002/(sici)1522-2594(199904)41:4<649::aid-mrm2>3.0.co;2-g.
46. Tykocki T., Eltayeb M. Ten-year survival in glioblastoma. A systematic review. J. Clin. Neurosci. 2018;54:7-13. DOI: 10.1016/j.jocn.2018. 05.002. Van Horn J.D., Bhattrai A., Irimia A. Multimodal imaging of neurometabolic pathology due to traumatic brain injury. Trends Neurosci. 2017;40(1):39-59. DOI: 10.1016/j.tins.2016.10.007.
47. Xu S., Zhuo J., Racz J., Shi D., Roys S., Fiskum G., Gullapalli R. Early microstructural and metabolic changes following controlled cortical impact injury in rat: a magnetic resonance imaging and spectroscopy study. J. Neurotrauma. 2011;28(10):2091-2102. DOI: 10.1089/neu.2010.1739.
48. Zavjalov E.L., Razumov I.A., Gerlinskaya L.A., Romashchenko A.V. In vivo MRI visualization of U87 glioblastoma development dynamics in the model of orthotopic xenotransplantation to the scid mouse. Russ. J. Genet. Appl. Res. 2016;6(4):448-453. DOI: 10.1134/s2079059716040225.