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Jakob Kaeppler
Author with expertise in Metabolic Reprogramming in Cancer Biology
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Enhanced perfusion following exposure to radiotherapy: a theoretical investigation

Jakub Köry et al.Jun 12, 2023
Abstract Tumour angiogenesis leads to the formation of blood vessels that are structurally and spatially heterogeneous. Poor blood perfusion, in conjunction with increased hypoxia and oxygen heterogeneity, impairs a tumour’s response to radiotherapy. The optimal strategy for enhancing tumour perfusion remains unclear, preventing its regular deployment in combination therapies. In this work, we first identify vascular architectural features that correlate with enhanced perfusion following radiotherapy, using in vivo imaging data from vascular tumours. Then, we present a novel computational model to determine the relationship between these architectural features, blood perfusion, and tumour response to radiotherapy in silico . If perfusion is defined to be the proportion of vessels that support blood flow, we find that vascular networks with small mean diameters and large numbers of angiogenic sprouts show the largest increases in perfusion post-irradiation for both biological and synthetic tumours. We also identify cases where perfusion increases due to the pruning of hypoperfused vessels, rather than blood being rerouted. These results indicate the importance of considering network composition when determining the optimal irradiation strategy. In the future, we aim to use our findings to identify tumours that are good candidates for perfusion enhancement and to improve the efficacy of combination therapies. Author summary Dysregulated tumour vasculature often contains hypoperfused blood vessels which inhibit the delivery of blood-borne anticancer therapies. Radiotherapy, used to treat more than half of all cancer patients, causes DNA damage to vascular endothelial cells, preferentially impacting smaller vessels, leading to their death and vessel pruning. At the same time, experiments measuring changes in tumour perfusion post-irradiation produce varying outcomes and, therefore, the impact of irradiation-induced vessel pruning on network-scale perfusion remains unclear. In this study, we use recent ( in vivo ) imaging data to identify features of tumour vascular architectures that impact perfusion change post-irradiation. We then use a newly-developed computational framework, directly informed by the experimental observations, to elucidate the relationship between the vascular geometry and topology prior to radiotherapy and the irradiation-induced changes to network perfusion. We find that perfusion increases most significantly for networks of blood vessels with small mean diameters and large numbers of angiogenic sprouts. Our results also distinguish different mechanisms of perfusion increase and we identify cases where rerouting of blood flow causes previously hypoperfused vessels to become perfused. Our study sheds more light on the impact of radiotherapy on tumour blood flow; these insights could be useful for improving anti-cancer treatments.
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Abnormal morphology biases haematocrit distribution in tumour vasculature and contributes to heterogeneity in tissue oxygenation

Miguel Bernabéu et al.May 16, 2019
Oxygen heterogeneity in solid tumours is recognised as a limiting factor for therapeutic efficacy. This heterogeneity arises from the abnormal vascular structure of the tumour, but the precise mechanisms linking abnormal structure and compromised oxygen transport are only partially understood. In this paper, we investigate the role that RBC transport plays in establishing oxygen heterogeneity in tumour tissue. We focus on heterogeneity driven by network effects, which are challenging to observe experimentally due to the reduced fields of view typically considered. Motivated by our findings of abnormal vascular patterns linked to deviations from current RBC transport theory, we calculate average vessel lengths L̄ and diameters d̄ from tumour allografts of three cancer cell lines and observe a substantial reduction in the ratio λ = L̄/d̄ compared to physiological conditions. Mathematical modelling reveals that small values of the ratio λ (i.e. λ < 6) can bias haematocrit distribution in tumour vascular networks and drive heterogeneous oxygenation of tumour tissue. Finally, we show an increase in the value of λ in tumour vascular networks following treatment with the anti-angiogenic cancer agent DC101. Based on our findings, we propose a strategy for oxygen normalisation associated with an increase in λ following treatment with anti-angiogenic drugs.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.
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A lineage-tracing tool to map the fate of post-hypoxic H1299 NSCLC tumour cells

Jenny Vermeer et al.Mar 5, 2020
Intratumoural hypoxia is a common characteristic of malignant treatment-resistant cancers. However, hypoxia-modification strategies for the clinic remain elusive. To date little is known on the behaviour of individual hypoxic tumour cells in their microenvironment. To explore this issue in a spatial and temporally-controlled manner we developed a genetically encoded sensor by fusing the O2-labile Hypoxia-Inducible Factor 1α to eGFP and a tamoxifen-regulated Cre recombinase. Under normoxic conditions HIF-1α is degraded but under hypoxia, the HIF-1α-GFP-Cre-ERT2 fusion protein is stabilised and in the presence of tamoxifen activates a tdTomato reporter gene that is constitutively expressed in hypoxic progeny. We visualise the random distribution of hypoxic tumour cells from hypoxic or necrotic regions and vascularised areas using immunofluorescence and intravital microscopy. Once tdTomato expression is induced, it is stable for at least 4 weeks. Using this system, we could show that the post-hypoxic cells were more proliferative in vivo than non-labelled cells. Our results demonstrate that single-cell lineage tracing of hypoxic tumour cells can allow visualisation of their behaviour in living tumours using intravital microscopy. This tool should prove valuable for the study of dissemination and treatment response of post-hypoxic tumour cells in vivo and ex vivo at single-cell resolution.