Quantum dots in axillary lymph node mapping: Biodistribution study in healthy mice

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Breast cancer is the first cause of cancer death among women and its incidence doubled in the last two decades. Several approaches for the treatment of these cancers have been developed. The axillary lymph node dissection (ALND) leads to numerous morbidity complications and is now advantageously replaced by the dissection and the biopsy of the sentinel lymph node. Although this approach has strong advantages, it has its own limitations which are manipulation of radioactive products and possible anaphylactic reactions to the dye. As recently proposed, these limitations could in principle be by-passed if semiconductor nanoparticles (quantum dots or QDs) were used as fluorescent contrast agents for the <it>in vivo </it>imaging of SLN. QDs are fluorescent nanoparticles with unique optical properties like strong resistance to photobleaching, size dependent emission wavelength, large molar extinction coefficient, and good quantum yield.</p> <p>Methods</p> <p>CdSe/ZnS core/shell QDs emitting around 655 nm were used in our studies. 20 μL of 1 μM (20 pmol) QDs solution were injected subcutaneously in the anterior paw of healthy nude mice and the axillary lymph node (ALN) was identified visually after injection of a blue dye. <it>In vivo </it>fluorescence spectroscopy was performed on ALN before the mice were sacrificed at 5, 15, 30, 60 min and 24 h after QDs injection. ALN and all other organs were removed, cryosectioned and observed in fluorescence microscopy. The organs were then chemically made soluble to extract QDs. Plasmatic, urinary and fecal fluorescence levels were measured.</p> <p>Results</p> <p>QDs were detected in ALN as soon as 5 min and up to 24 h after the injection. The maximum amount of QDs in the ALN was detected 60 min after the injection and corresponds to 2.42% of the injected dose. Most of the injected QDs remained at the injection site. No QDs were detected in other tissues, plasma, urine and feces.</p> <p>Conclusion</p> <p>Effective and rapid (few minutes) detection of sentinel lymph node using fluorescent imaging of quantum dots was demonstrated. This work was done using very low doses of injected QDs and the detection was done using a minimally invasive method.</p

Sentinel lymph node mapping with quantum dots : Breast cancer application

Le statut ganglionnaire a la valeur pronostique la plus importante chez les patientes atteintes d’un cancer du sein, le taux de survie étant corrélé au nombre de ganglions envahis. Dans le traitement des cancers du sein opérables d'une taille inférieure à 3 cm, la technique du ganglion sentinelle (GS) remplace le curage ganglionnaire de stadification. Toutefois, cette technique nécessite l’emploi simultané de radioisotopes et de colorants physiologiques présentant divers effets secondaires. Ainsi, notre stratégie a été de tester, sur modèle pré-clinique de nouveaux traceurs fluorescents, les Quantum Dots (QDs), pour la technique du GS. Une étude sur la détection in vivo du ganglion axillaire (GA) par spectrofluorimétrie fibrée après injection sous-cutanée (s.c.) de QDs émettant dans le rouge a été réalisée et leur quantification ex vivo a été effectuée par spectrofluorimétrie jusqu’à 24 h. Ce travail a montré l’accumulation rapide et sélective des QDs dans le GA chez la souris. Une étude sur la localisation in vivo de 2 ganglions régionaux par imagerie de fluorescence a été réalisée suite à l’administration s.c. de QDs émettant dans le proche infrarouge (PIR) ainsi qu’une étude de biodistribution ex vivo par spectrométrie de masse (ICP-MS). Les résultats obtenus ont montré que l’imagerie de fluorescence pouvait être utilisée après injection de QDs pour localiser et suivre leur accumulation dans les ganglions superficiels chez la souris saine. Pour se rapprocher de la clinique, le repérage in vivo du GS axillaire a été investi sur modèle tumoral murin de cancer du sein par imagerie de fluorescence après administration s.c. de QDs émettant dans le PIR. Deux techniques de détection des métastases ganglionnaires ont été utilisées puis comparées : l’histologie conventionnelle et la RT-PCR. Tous les GS axillaires ont été détectés in vivo par imagerie, sauf un GS qui était complètement envahi par les cellules tumorales et la meilleure incidence de métastases ganglionnaire a été observée avec la RT-PCR. Ainsi, les QDs pourraient être utilisés comme substitut des marqueurs actuellement employés dans la technique du GS pour les cancers du sein.Lymph node (LN) status is the most important prognostic factor in breast cancer patients and a determinant predictor of recurrence and survival. In the treatment of operable breast cancers with a size inferior of 3 cm, the sentinel lymph node biopsy (SLNB) substitutes the axillary LN dissection. However, this technique requires the simultaneous use of a radiocolloid and a physiologic dye, which present several secondary effects. Thus, our strategy was to test in preclinical model the new fluorescent markers, Quantum Dots (QDs) for SLNB. A study on in vivo axillary LN (ALN) mapping by light induced fluorescence was performed after subcutaneous (s.c.) injection of red-emitting QDs and their ex vivo quantification was realized by spectrofluorimetry for up to 24 h. We showed a fast and selective accumulation of QDs in ALN in healthy mice. An in vivo study on localization of 2 regional LNs by fluorescence imaging was carried out after the s.c. administration of near-infrared (NIR) emitting QDs along with ex vivo biodistribution study by mass spectroscopy (ICP-MS). Obtained results shown that fluorescence imaging can be used after QDs injection to map and follow their accumulation in superficial LNs in healthy mice. To approach the human clinic in a best possible way, sentinel ALN mapping was investigated after s.c. delivery of NIR emitting QDs in murine breast cancer model by fluorescence imaging. Two techniques for LN metastasis detection were used and compared: conventional histology and RT-PCR. All sentinel ALNs were located in vivo by imaging except one ALNs which was completely invaded by cancer cells and best incidence of LN metastasis was registered by RT-PCR (60 %). Thus, QDs could be used as a substitute for the markers currently employed in SLNB in breast cancers

Localisation des ganglions sentinelles au moyen de quantum dots. Application au cancer du sein

Lymph node (LN) status is the most important prognostic factor in breast cancer patients and a determinant predictor of recurrence and survival. In the treatment of operable breast cancers with a size inferior of 3 cm, the sentinel lymph node biopsy (SLNB) substitutes the axillary LN dissection. However, this technique requires the simultaneous use of a radiocolloid and a physiologic dye, which present several secondary effects. Thus, our strategy was to test in preclinical model the new fluorescent markers, Quantum Dots (QDs) for SLNB. A study on in vivo axillary LN (ALN) mapping by light induced fluorescence was performed after subcutaneous (s.c.) injection of red-emitting QDs and their ex vivo quantification was realized by spectrofluorimetry for up to 24 h. We showed a fast and selective accumulation of QDs in ALN in healthy mice. An in vivo study on localization of 2 regional LNs by fluorescence imaging was carried out after the s.c. administration of near-infrared (NIR) emitting QDs along with ex vivo biodistribution study by mass spectroscopy (ICP-MS). Obtained results shown that fluorescence imaging can be used after QDs injection to map and follow their accumulation in superficial LNs in healthy mice. To approach the human clinic in a best possible way, sentinel ALN mapping was investigated after s.c. delivery of NIR emitting QDs in murine breast cancer model by fluorescence imaging. Two techniques for LN metastasis detection were used and compared: conventional histology and RT-PCR. All sentinel ALNs were located in vivo by imaging except one ALNs which was completely invaded by cancer cells and best incidence of LN metastasis was registered by RT-PCR (60 %). Thus, QDs could be used as a substitute for the markers currently employed in SLNB in breast cancers.Le statut ganglionnaire a la valeur pronostique la plus importante chez les patientes atteintes d'un cancer du sein, le taux de survie étant corrélé au nombre de ganglions envahis. Dans le traitement des cancers du sein opérables d'une taille inférieure à 3 cm, la technique du ganglion sentinelle (GS) remplace le curage ganglionnaire de stadification. Toutefois, cette technique nécessite l'emploi simultané de radioisotopes et de colorants physiologiques présentant divers effets secondaires. Ainsi, notre stratégie a été de tester, sur modèle pré-clinique de nouveaux traceurs fluorescents, les Quantum Dots (QDs), pour la technique du GS. Une étude sur la détection in vivo du ganglion axillaire (GA) par spectrofluorimétrie fibrée après injection sous-cutanée (s.c.) de QDs émettant dans le rouge a été réalisée et leur quantification ex vivo a été effectuée par spectrofluorimétrie jusqu'à 24 h. Ce travail a montré l'accumulation rapide et sélective des QDs dans le GA chez la souris. Une étude sur la localisation in vivo de 2 ganglions régionaux par imagerie de fluorescence a été réalisée suite à l'administration s.c. de QDs émettant dans le proche infrarouge (PIR) ainsi qu'une étude de biodistribution ex vivo par spectrométrie de masse (ICP-MS). Les résultats obtenus ont montré que l'imagerie de fluorescence pouvait être utilisée après injection de QDs pour localiser et suivre leur accumulation dans les ganglions superficiels chez la souris saine. Pour se rapprocher de la clinique, le repérage in vivo du GS axillaire a été investi sur modèle tumoral murin de cancer du sein par imagerie de fluorescence après administration s.c. de QDs émettant dans le PIR. Deux techniques de détection des métastases ganglionnaires ont été utilisées puis comparées : l'histologie conventionnelle et la RT-PCR. Tous les GS axillaires ont été détectés in vivo par imagerie, sauf un GS qui était complètement envahi par les cellules tumorales et la meilleure incidence de métastases ganglionnaire a été observée avec la RT-PCR. Ainsi, les QDs pourraient être utilisés comme substitut des marqueurs actuellement employés dans la technique du GS pour les cancers du sein