Динамика биораспределения L-борфенилаланина в органах мыши с подкожным ксенографтом опухоли — модель оценки эффективности нейтронных источников для бор-нейтронозахватной терапии

Бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ) в силу высокой биологической эффективности является одним из наиболее перспективных методов лучевой терапии злокачественных опухолей. В настоящее время исследования в этой области получили новый импульс благодаря появлению принципиально новых компактных источников нейтронов, подходящих для клинического применения.

Цель исследования — изучить биораспределение препарата L-борфенилаланин (L-BPA) в органах экспериментальных животных с подкожным ксенографтом опухоли и оценить возможности применения данной экспериментальной модели для оценки эффективности использования новых нейтронных источников.

Материалы и методы. Эксперименты проводили на мышах линии BALB/c с подкожным ксенографтом аденокарциномы мыши СТ26. Препарат L-BPA в молярном избытке фруктозы вводили внутривенно в дозе 350 мг/кг, исследуемые органы забирали через 1,5; 3; 6 и 24 ч после введения препарата. Анализ содержания изотопа ¹⁰В выполняли с помощью масс-спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (МС-ИСП). Отсутствие токсического воздействия верифицировали с помощью патоморфологического анализа.

Результаты. Максимальное содержание L-BPA в опухоли оказалось равным 142,0±4,41 мкг/г через 1,5 ч после введения препарата. Минимальная терапевтическая концентрация L-BPA в опухоли сохраняется до 5,4 ч после введения. Среди нормальных органов максимальное содержание наблюдалось в почках, что, вероятнее всего, связано не с истинным содержанием L-BPA в тканях, а со структурно-функциональными особенностями органа. Гистологические исследования не выявили структурных нарушений и дистрофических изменений тканей на фоне введения L-BPA.

Заключение. Результаты проведенного исследования демонстрируют пригодность исследуемой опухолевой модели для оценки эффективности использования новых нейтронных источников для БНЗТ. Содержание L-BPA в опухоли и время сохранения минимальной терапевтической концентрации оказались достаточными для проведения эффективной БНЗТ. Высокая концентрация накопления ¹⁰В относительно непатологических тканей позволяет минимизировать возможные побочные эффекты данного метода терапии.

1. Barth R.F., Zhang Z., Liu T. A realistic appraisal of boron neutron capture therapy as a cancer treatment modality. Cancer Commun (Lond) 2018; 38(1): 36, https://doi.org/10.1186/s40880-018-0280-5.
2. Nedunchezhian K., Aswath N., Thiruppathy M., Thirugnanamurthy S. Boron neutron capture therapy — a literature review. J Clin Diagn Res 2016; 10(12): ZE01–ZE04, https://doi.org/10.7860/jcdr/2016/19890.9024.
3. Belchenko Y., Savkin V. Direct current H⁻ source for the medicine accelerator (invited). Rev Sci Instrum 2004; 75(5): 1704–1708, https://doi.org/10.1063/1.1699457.
4. Belchenko Y.I., Grigoryev E. Surface–plasma negative ion source for the medicine accelerator. Rev Sci Instrum 2002; 73(2): 939–939, https://doi.org/10.1063/1.1432463.
5. Akhmetov T.D., Davydenko V.I., Ivanov A.A., Kobets V.V., Medvedko A.S., Skorobogatov D.N., Tiunov M.A. Radially uniform circular sweep of ion beam. Rev Sci Instrum 2006; 77(3): 03C106, https://doi.org/10.1063/1.2162854.
6. Tahara Y., Abe S., Akiyama Y., Kamei Y., Tsutsui T., Yokobori H., Unno Y., Baba M. A BNCT neutron generator using a 30 MeV proton beam. In: Proc 12^th 101 Int Cong Neutron Capture Therapy. Takamatsu, Japan; 2006; p. 327–330.
7. Tanaka H., Sakurai Y., Suzuki M., Masunaga S., Mitsumoto T., Fujita K., Kashino G., Kinashi Y., Liu Y., Takada M., Ono K., Maruhashi A. Experimental verification of beam characteristics for cyclotron-based epithermal neutron source (C-BENS). Appl Radiat Isot 2011; 69(12): 1642–1645, https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2011.03.020.
8. Taskaev S.Y. Accelerator based epithermal neutron source. Phys Part Nucl 2015; 46: 956–990.
9. Taskaev S.Y. Development of an accelerator-based epithermal neutron source for boron neutron capture therapy. Phys Part Nucl 2019; 50: 569–575.
10. Skalyga V., Izotov I., Golubev S., Razin S., Sidorov A., Maslennikova A., Volovecky A., Kalvas T., Koivisto H., Tarvainen O. Neutron generator for BNCT based on high current ECR ion source with gyrotron plasma heating. Appl Radiat Isot 2015; 106: 29–33, https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2015.08.015.
11. Skalyga V., Izotov I., Golubev S., Sidorov A., Razin S., Strelkov A., Tarvainen O., Koivisto H., Kalvas T. High yield neutron generator based on a high-current gasdynamic electron cyclotron resonance ion source. J Appl Phys 2015; 118(9): 093301, https://doi.org/10.1063/1.4929955.
12. Hattori Y., Kusaka S., Mukumoto M., Uehara K., Asano T., Suzuki M., Masunaga S., Ono K., Tanimori S., Kirihata M. Biological evaluation of dodecaborate-containing L-amino acids for boron neutron capture therapy. J Med Chem 2012; 55(15): 6980–6984, https://doi.org/10.1021/jm300749q.
13. Lin Y.C., Hwang J.J., Wang S.J., Yang B.H., Chang C.W., Hsiao M.C., Chou F.I. Macro- and microdistributions of boron drug for boron neutron capture therapy in an animal model. Anticancer Res 2012; 32(7): 2657–2664.
14. Garabalino M.A., Heber E.M., Monti Hughes A., González S.J., Molinari A.J., Pozzi E.C., Nievas S., Itoiz M.E., Aromando R.F., Nigg D.W., Bauer W., Trivillin V.A., Schwint A.E. Biodistribution of sodium borocaptate (BSH) for boron neutron capture therapy (BNCT) in an oral cancer model. Radiat Environ Biophys 2013; 52(3): 351–361, https://doi.org/10.1007/s00411-013-0467-8.
15. Sauerwein W.A.G. Principles and roots of neutron capture therapy. In: Neutron capture therapy: principles and applications. Moss R., Nakagawa Y. (editors). Springer; 2012; p. 1–16.
16. Matsumoto T., Aoki M., Aizawa O. Phantom experiment and calculation for in vivo ¹⁰boron analysis by prompt gamma ray spectroscopy. Phys Med Biol 1991; 36(3): 329–338, https://doi.org/10.1088/0031-9155/36/3/002.
17. Mukai K., Nakagawa Y., Matsumoto K. Prompt gamma ray spectrometry for in vivo measurement of boron-10 concentration in rabbit brain tissue. Neurol Med Chir (Tokyo) 1995; 35(12): 855–860, https://doi.org/10.2176/nmc.35.855.
18. Wittig A., Huiskamp R., Moss R.L., Bet P., Kriegeskotte C., Scherag A., Hilken G., Sauerwein W.A. Biodistribution of ¹⁰B for boron neutron capture therapy (BNCT) in a mouse model after injection of sodium mercaptoundecahydro-closo-dodecaborate and L-para-boronophenylalanine. Radiat Res 2009; 172(4): 493–499, https://doi.org/10.1667/rr1700.1.
19. Smith F.G., Wiederin D.R., Houk R.S., Egan C.B., Serfass R.E. Measurement of boron concentration and isotope ratios in biological samples by inductivey coupled plasma mass spectrometry with direct injection nebulization. Anal Chim Acta 1991; 248(1): 229–234, https://doi.org/10.1016/s0003-2670(00)80889-2.
20. Evans E.H., Giglio J.J. Interferences in inductively coupled plasma mass spectrometry. A review. J Anal At Spectrom 1993; 8(1): 1–18, https://doi.org/10.1039/ja9930800001.
21. Solares G.R., Zamenhof R.G. A novel approach to the microdosimetry of neutron capture therapy. Part I. High-resolution quantitative autoradiography applied to microdosimetry in neutron capture therapy. Radiat Res 1995; 144(1): 50–58.
22. Alfassi Z.B., Probst T.U. On the calibration curve for determination of boron in tissue by quantitative neutron capture radiography. Nucl Instrum Methods Phys Res A: Accel Spectrom Detect Assoc Equip 1999; 428(2–3): 502–507, https://doi.org/10.1016/s0168-9002(99)00145-x.
23. Yokoyama K., Miyatake S., Kajimoto Y., Kawabata S., Doi A., Yoshida T., Okabe M., Kirihata M., Ono K., Kuroiwa T. Analysis of boron distribution in vivo for boron neutron capture therapy using two different boron compounds by secondary ion mass spectrometry. Radiat Res 2007; 167(1): 102–109, https://doi.org/10.1667/rr0501.1.
24. Michel J., Sauerwein W., Wittig A., Balossier G., Zierold K. Subcellular localization of boron in cultured melanoma cells by electron energy-loss spectroscopy of freeze-dried cryosections. J Microsc 2003; 210(Pt 1): 25–34, https://doi.org/10.1046/j.1365-2818.2003.01172.x.
25. March R.E. An introduction to quadrupole ion trap mass spectrometry. J Mass Spectrom 1997; 32(4): 351–369.
26. Coderre J.A., Chanana A.D., Joel D.D., Elowitz E.H., Micca P.L., Nawrocky M.M., Chadha M., Gebbers J.O., Shady M., Peress N.S., Slatkin D.N. Biodistribution of boronophenylalanine in patients with glioblastoma multiforme: boron concentration correlates with tumor cellularity. Radiat Res 1998; 149(2): 163–170.
27. Seo I.H., Lee J., Na D., Kyung H., Yang J., Lee S., Jeon S.J., Choi J.W., Lee K.Y., Yi J., Han J., Yoo M., Kim S.H. The anti-tumor effect of boron neutron capture therapy in glioblastoma subcutaneous xenograft model using the proton linear accelerator-based BNCT system in Korea. Life (Basel) 2022; 12(8): 1264, https://doi.org/10.3390/life12081264.
28. Arima J., Taniguchi K., Yamamoto M., Watanabe T., Suzuki Y., Hamamoto H., Inomata Y., Kashiwagi H., Kawabata S., Tanaka K., Uchiyama K., Suzuki M., Lee S.W. Anti-tumor effect of boron neutron capture therapy in pelvic human colorectal cancer in a mouse model. Biomed Pharmacother 2022; 154: 113632, https://doi.org/10.1016/j.biopha.2022.113632.
29. Yoshimura K., Kawabata S., Kashiwagi H., Fukuo Y., Takeuchi K., Futamura G., Hiramatsu R., Takata T., Tanaka H., Watanabe T., Suzuki M., Hu N., Miyatake S.I., Wanibuchi M. Efficacy of boron neutron capture therapy in primary central nervous system lymphoma: in vitro and in vivo evaluation. Cells 2021; 10(12): 3398, https://doi.org/10.3390/cells10123398.
30. Цыганкова А.Р., Каныгин В.В., Касатова А.И., Завья­лов Е.Л., Гусельникова Т.Я., Кичигин А.И., Мухамадия­ров Р.А. Определение бора методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. Изучение био­распределения ¹⁰B в органах мышей. Известия Акаде­мии наук. Серия химическая 2020; 3: 601–607.
31. Lee W., Kim K.W., Lim J.E., Sarkar S., Kim J.Y., Chang Y., Yoo J. In vivo evaluation of the effects of combined boron and gadolinium neutron capture therapy in mouse models. Sci Rep 2022; 12(1): 13360, https://doi.org/10.1038/s41598-022-17610-4.
32. Andoh T., Fujimoto T., Sudo T., Fujita I., Imabori M., Moritake H., Sugimoto T., Sakuma Y., Takeuchi T., Kawabata S., Kirihata M., Akisue T., Yayama K., Kurosaka M., Miyatake S., Fukumori Y., Ichikawa H. Boron neutron capture therapy for clear cell sarcoma (CCS): biodistribution study of p-borono-L-phenylalanine in CCS-bearing animal models. Appl Radiat Isot 2011; 69(12): 1721–1724, https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2011.02.005.

Druzkova I.N., Pakhomova A.A., Ignatova N.I., Suleymanova A.R., Maslennikova A.V. L-Boronphenylalanine Biodistribution Dynamics in the Organs of Mice with Subcutaneous Tumor Xenograft is a Model to Assess Neuron Sources Efficiency in Boron Neutron Capture Therapy. Sovremennye tehnologii v medicine 2023; 15(6): 14, https://doi.org/10.17691/stm2023.15.6.02