Oxygen microbubbles that effectively increase oxygenation in tumors - analysis of protein expression and vascularization of tumors.

Prawidłowe funkcjonowanie układu krwionośnego jest kluczowym procesem dla utrzymania homeostazy tkankowej. W procesie tworzenia się guzów dochodzi do niekontrolowanej proliferacji komórek nowotworowych, co w połączeniu ze zbyt małą ilością oraz dysfunkcją naczyń krwionośnych, prowadzi do niedotlenienia komórek (zjawisko hipoksji). Następują znaczące zmiany w metabolizmie komórek – obserwuje się zmianę sposobu pozyskiwania ATP przez komórki z modelu tlenowego na beztlenowy (zwiększa się stężenie GLUT1), wydzielane są czynniki proangiogenne np. VEGF, oraz rośnie stężenie białek odpowiedzialnych za przeciwdziałanie hipoksji (HIF-1α, Ca9, Cox2). Zjawisko hipoksji prowadzi do wielu patologicznych zjawisk, takich jak czy zwiększenie oporności guzów na radioterapię i chemioterapię. Jedną ze strategii zwiększania utlenowania guzów nowotworowych, w celu polepszenia odpowiedzi na terapie, jest zastosowanie mikropęcherzyków wypełnionych tlenem. Mikropęcherzyki są strukturami o rozmiarze mniejszym od <10 µm zbudowanymi z otoczki lipidowej lub białkowej, wypełnione gazem lub substancją aktywną. Celem pracy było zbadanie wpływu mikropęcherzyków na perfuzję oraz zmianę poziomu białek w litych guzów nowotworowych w zależności od drogi ich podania oraz rodzaju wypełniającego ich gazu. W badaniach wyróżniono kontrolę oraz pięć grup myszy eksperymentalnych: myszy, którym dożylnie podano mikropęcherzyki wypełnione tlenem; myszy, którym dożylnie podano mikropęcherzyki wypełnione tlenem, a następnie sonikowano ultradźwiękami; myszy, którym podano mikropęcherzyki wypełnione tlenem bezpośrednio do guza; myszy, którym podano mikropęcherzyki wypełnione tlenem bezpośrednio do guza, a następnie sonikowano ultradźwiękami oraz myszy, którym dożylnie podano mikropęcherzyki wypełnione azotem, a następnie sonikowano ultradźwiękami. Do zobrazowania schematu unaczynienia guzów nowotworowych po traktowaniu mikropęcherzykami wykonano barwienia immunofluorescencyjne. Do oceny zmian stężenia białek zastosowano techniki ELISA i Western Blot.Wyniki eksperymentów wykazały, że podawanie dożylnie mikropęcherzyków wypełnionych tlenem, a następnie sonikowanie ultradźwiękami powoduje największe zmiany stężenia białek odpowiedzialnych za regulację zjawiska hipoksji. Mimo wzrostu liczby perycytów, naczynia ulegały rozszczelnieniu po podaniu pęcherzyków, nawet bez impulsu ultradźwiękowego.

The proper functioning of the circulatory system is the relevant process for maintaining tissue homeostasis. In the process of tumor formation, there is an uncontrolled proliferation of cancer cells, which, combined with dysfunction of blood vessels, leads to cell hypoxia. Significant changes in cell metabolism take place - there is a change in the method of obtaining ATP by cells from the aerobic to anaerobic model (GLUT1 concentration increases), proangiogenic factors are secreted, e.g. VEGF, and the concentration of proteins responsible for counteracting hypoxia changes (HIF-1α, Ca9, Cox2). The phenomenon of hypoxia leads to many pathological implications, such as increased resistance of tumors to radiotherapy and chemotherapy. One of the strategies to increase the oxygenation of neoplastic tumors, in order to increase the responsiveness to therapies, is the use of oxygen-filled microbubbles. Microbubbles are structures smaller than <10 µm, composed of a lipid or protein envelope, filled with gas or active substance.The aim of the study was to investigate the effect of microbubbles on the changes in vasculature and protein level in solid tumors depending on the route of their administration and the type of gas filling them. In the study control group and five experimental groups were chosen: mice administered intravenously with microbubbles filled with oxygen; mice infused intravenously with oxygen-filled microbubbles followed by sonication with ultrasound; mice administered oxygen-filled microbubbles directly into the tumor; mice that received oxygen-filled microbubbles directly into the tumor followed by sonication by ultrasound, and mice that were injected intravenously with nitrogen-filled microbubbles followed by sonication by ultrasound. Immunofluorescence stains were performed to visualize the vascularization pattern of the neoplastic tumors after microbubble treatment. ELISA and Western Blot techniques were used to evaluate changes in protein concentration.The results of the experiments showed that the administration of intravenous microbubbles filled with oxygen, followed by sonication with ultrasound, increases the oxygenation of the solid tumor, which is illustrated by the changes in the concentration of proteins responsible for the regulation of hypoxia. Even though the number of pericytes increased, the vessels were leaky after microbubble injection, even without the ultrasound impulse.