Synergistic Effects of Pulsed Focused Ultrasound and a Doxorubicin-Loaded Microparticle–Microbubble Complex in a Pancreatic Cancer Xenograft Mouse Model

Abstract

The synergistic effects of a doxorubicin (Dox)-loaded microparticle-microbubble complex (DMMC) and focused ultrasound (FUS) with a short duty cycle (5%) were evaluated in a pancreatic cancer xenograft model established by inoculating immunedeficient mice with CFPAC-1 cells. The efficacy of the DMMC with FUS (study 1), the effect of conjugating the particles as opposed to mixing them (study 2), and the levels of tumor apoptosis and intracellular Dox (study 3) were evaluated. The DMMC with FUS showed the lowest tumor growth rate (30.8 mm3/week) and the highest intracellular Dox uptake (8.8%) and tumor cell apoptosis rate (58.7%) among all treatments. The DMMC presented a significantly lower growth rate than the mixture of Dox-loaded microparticles and microbubbles (44.2 mm3/week, P<0.01) when they were combined with FUS. In conclusion, DMMC with short-duty-cycle FUS has promise for tumor growth suppression, which may be attributed to high intracellular Dox uptake.

목적: 췌장암 이종이식 모델에서 Doxorubicin을 탑재한 미세기포 집합체 (DMMC)와 집속초음파 평행 치료의 상호 증강 효과를 평가하고자 한다.

방법: 면역결핍 마우스에 CFPAC-1을 접종하여 췌장암 이종이식 모델을 만들었다. DMMC는 Doxorubicin을 탑재한 알부민 미세입자와 미세기포와의 결합을 통해 생성하였다. 집속초음파 치료를 위해 음향파워 80.5W, 반복 주기 (duty cycle) 5%를 적용하였다. 마우스는 총 5 군 (집단 별 개체 수=5) 으로 나누어 4mg/Kg Doxorubicin로 치료를 시행하였다. 5군은 1) 대조군, 2) Doxorubicin 단독, 3) Doxorubicin와 미세기포 혼합물에 집속초음파 치료, 4) Doxorubicin 탑재 알부민 미세입자와 미세기포 혼합물에 집속초음파 치료, 5) Doxorubicin 탑재 알부민 미세입자와 미세기포 집합체 (DMMC)에 집속초음파 치료로 이루어져 있다. 제 1단계에서는 DMMC와 집속초음파 치료의 효과를 확인하고자 하였다. 제 2단계에서는 혼합물과 집합체의 치료효과를 비교하고자 하였다. 병태생리학적 분석을 위해, 동일한 조건으로 반복 실험 하였고, 종양 apoptosis와 세포 내 Doxorubicin 흡수 양 을 형광분석을 통해 분석하였다. 통계분석에는 Bonferroni correction을 동반한 Kruskal-Wallis 검정과 Mann- Whitney 검정을 이용하였다.

결과: 제 1단계 실험에서 DMMC와 집속초음파 병행치료를 시행한 군에서 유의하게 작은 종양크기 및 가장 느린 종양 성장속도를 보여주었다. 제 2단계 실험에서는, 유일하게 DMMC와 집속초음파 병행치료를 시행한 군에서 대조군과 비교시 유의하게 낮은 성장속도를 보여주었다 (P=0.01). 병태생리학적 분석에서, DMMC와 집속초음파 병행치료를 시행한 군이 Doxorubicin 단독치료 혹은 Doxorubicin과 FUS 병행 치료군보다 높은 세포 내 Doxorubicin 흡수를 보였다 (Ps<.001). DMMC와 집속초음파 병행 치료 군에서 종양세포 apoptosis 비율이 다른 실험군과 비교시 가장 높았다.

결론: DMMC와 집속초음파 병행치료는 췌장암 세포의 종양의 성장을 억제할 수 있는 것으로 사료되며, 이는 세포내의 높은 Doxorubicin 흡수에 기인한 것으로 보인다.