منتشر الطيفي الضوئي للتقييم الكمي الحاد الإشعاعات المؤينة الجلد المستحث السمية باستخدام نموذج الفأر
Summary
We present a diffuse optical spectroscopic (DOS) approach that provides quantitative optical biomarkers of skin response to radiation. We describe DOS instrumentation design, optical parameters extraction algorithms and the animal handling procedures required to yield representative data from a pre-clinical mouse model of radiation induced erythema.
Abstract
Acute skin toxicities from ionizing radiation (IR) are a common side effect from therapeutic courses of external beam radiation therapy (RT) and negatively impact patient quality of life and long term survival. Advances in the understanding of the biological pathways associated with normal tissue toxicities have allowed for the development of interventional drugs, however, current response studies are limited by a lack of quantitative metrics for assessing the severity of skin reactions. Here we present a diffuse optical spectroscopic (DOS) approach that provides quantitative optical biomarkers of skin response to radiation. We describe the instrumentation design of the DOS system as well as the inversion algorithm for extracting the optical parameters. Finally, to demonstrate clinical utility, we present representative data from a pre-clinical mouse model of radiation induced erythema and compare the results with a commonly employed visual scoring. The described DOS method offers an objective, high through-put evaluation of skin toxicity via functional response that is translatable to the clinical setting.
Introduction
التحسينات التكنولوجية في العلاج الإشعاعي التخطيط (RT) وتسليم تسمح الآن للجرعات العلاجية امتثالي للغاية ليتم تسليمها إلى منطقة الورم، بينما في الوقت نفسه تجنيب الهياكل الطبيعية المحيطة. ومع ذلك، وسمية حادة وشديدة في بعض الأحيان لا يمكن تجنبها عندما يكون الهدف جرعة عالية هو على مقربة من الجلد. إذا كانت شديدة بما فيه الكفاية، يمكن أن تلف الأنسجة العادية الناتجة يؤثر سلبا على نتائج العلاج RT ونوعية حياة المريض 1،2.
وعلى الرغم من العواقب الضارة، وإدارة الحالية للحمامي الجلد الإشعاع لا تزال غير محددة، وتوظيف الكريمات أو المراهم التي تتجاهل الآليات البيولوجية الكامنة التي تؤدي إلى الضرر. وتعتمد هذه الطرق على تقليل الأعراض بدلا من الأسباب. وعلاوة على ذلك، فإن تعقيد توقيت وإدارة العلاجات التداخلية وفقا لطبيعة ونوعية الشخصية للتقييم الإشعاع إصابة الجلد. بينما العديد المعترف بهاالمنظمات (RTOG، EORTC) تقديم توصيات الدرجات البصرية والمؤسسات تختلف في اختيارهم للتسجيل المفضل، وبالتالي حجب مقارنات سمية الأنسجة الطبيعية لأغراض الفوقية التحليلات. وعلاوة على ذلك، هذه النظم الدرجات هي النفط وعرضة للتقلب بين المراقب، ان هذه الاختلافات في الإشعاع إصابة شدة قد يكون غير مدرك في دراسات تقييم استراتيجيات الحد من سمية.
بدلا من وصف بصريا درجة الاحمرار في الجلد المشع، وهو نهج بديل هو قياس المعلمات التي تصف كميا التغيرات الفسيولوجية الأساسية التي تحدث في الجهاز. وقد استخدمت الهيموغلوبين في الدم (الهيموغلوبين)، الأنسجة تشبع الأكسجين (STO 2) أو مستويات الهيموجلوبين المؤكسج (oxyHb) كوكلاء لحمامي الناجمة عن الإشعاع في الفئران 3-6. بعد التشعيع، مجموع مستويات الهيموغلوبين تخضع تقلبات، ولكن oxyHb أو STO 2 الخضوع لارتفاع حاد في وقت مبكر مميزة، تليهاالخريف وأكثر ثباتا ارتفاع 3،6 آخر. عندما يتم استخدام مواد مهيجة للحث على حمامي الجلد، ومستويات oxyHb الأوعية الدموية ترتبط مباشرة مع شدة حمامي المحلي والتهاب 7.
منتشر التحليل الطيفي الضوئي (DOS) يستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة لتوفير المعلومات وظيفية على المكونات الكيميائية الحيوية والمجهرية من مكونات الأنسجة الحيوية. وتوفر هذه الكمية، التكنولوجيا البصرية غير الغازية طريقة لقياس توسع الأوعية التي يسببها خلوى في الأوعية الدموية التي تحدث أثناء حمامي عبر عملائها الوظيفية للتركيز الهيموغلوبين وSTO 2. الدراسات الحديثة مقارنة المعلمات قياس DOS مع طرق التهديف السريرية التي تسيطر عليها 8-11 تشير إلى إمكانات تقنية للتغلب على القيود المتأصلة في الدرجات الحالي الأنظمة.
نحن هنا وصف أحد في المنزل، والمحمولة نظام، DOS الذي يستخدم بدائل وظيفية لDETE كمياالخلافات cting في الإشعاع الناجم عن سمية الجلد في نموذج الفأر ما قبل السريرية 5. قد توفر منصة صفت وسائل موحد التهديف حمامي مع حساسية عالية للكشف المبكر والتمايز خفية من الاستجابة للدواء التدخلية. وعلاوة على ذلك، مع تعديلات طفيفة فقط، قد يكون في نهاية المطاف يعملون في الأجهزة سريريا لرصد السرير في الوقت الحقيقي.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد تم تقديم نهج DOS لتقييم كمي السميات الجلد الإشعاع باستخدام المؤشرات الحيوية البصرية. تتطلب أنظمة التهديف البصرية سمية الجلد تدريب الخبراء وحتى ذلك الحين عرضة للتقلب بين المراقب والذاتية. النظام وتحليل البرامج DOS سهلة الاستعمال، يتطلب الحد الأدنى من التدريب وإرجاع المعلمات الوظيفية موضوعية لتفسير التغيرات الفسيولوجية في الجلد. وعلاوة على ذلك، بدلا من واصفا ظهور الآفة الجلدية كمعلمة واحدة، تقدم DOS ثروة من المعلومات في شكل الطيفي، الخصائص البصرية والوظيفية المعلمات / المجهرية التي توفر قدرا إضافيا من حساسية وخصوصية لا تتوفر في وسائل التهديف النوعية الحالية. المادتين 1 و 7 تسليط الضوء على خطوات المعالجة الرئيسية للحصول على البيانات الطيفية المطلقة التي يمكن استخدامها لتركيب الكمي من المؤشرات الحيوية البصرية. الخلفية والطرح الأساسية هي حيوية للسماح للمستخدم لأداءالقياسات DOS في ظل ظروف الإضاءة العادية. ويقدم القسم 8 نماذج ومعادلات بحاجة إلى وصف الفئران athymic قبل وبعد التشعيع الأشعة السينية اللازمة. هنا، واختيار من امتصاص المناسبة أمر حيوي لوصفا دقيقا للأطياف قياس. ينصح أن المستخدم تحقيقا شاملا في الأدب امتصاص الرئيسية التي تهيمن على نطاق الطول الموجي والأنسجة من الاهتمام المستخدمة في دراسة معينة قبل بناء نموذج تركيب العلامات البيولوجية البصرية. وأخيرا، أقسام 3-5 تصف التعامل مع الفئران athymic خلال الاستحواذ DOS. لتجنب تعطيل الأوعية الدموية المحلي، استخدام القوة لطيف لوضع مسبار DOS على سطح الجلد الماوس.
بينما غير مكلفة نسبيا مقارنة بأنظمة الكاميرا الفائقة الطيفية 3،4، وتحديد واضح لنهج DOS وصفها هو استخدام مسبار نقطة لقياس الانعكاس منتشر. هذه الضروريات الانعكاس هندسة اتصال لطيف مع الجلد ولديه القدرة على تقديم ارتياب في القياس عن طريق تشتيت الأوعية الدموية إذا لم يتم توظيف ثابت الضغط التحقيق الجلد. التصاميم المستقبلية لجنة التحقيق DOS قد تتضمن جهاز استشعار الضغط للحفاظ على نتائج متسقة. وعلاوة على ذلك، في حين أن استخدام وثيقة الانفصال مصدر للكشف عن (<2-3 ملم) يسمح للأعماق تفحصا البصرية محددة على سطح الجلد، وتحسين نوعية تأتي في فقدان القرار المكانية مقارنة 2D التصوير الطيفية. للحد من هذا القيد، مسح الربع 5 نقطة الذي يلتقط كان يعمل حجم المشع العام. وعلى الرغم من عدم وجود قرار المكاني، وقد أظهرت الأعمال السابقة في الفئران 5 قدرة المؤشرات الحيوية الضوئية بمعدل متوسط على منطقة قليلة السكان للتمييز ليس فقط الجلد المشع وغير المشع ولكن أيضا تأثير الجلد تجنيب المخدرات التدخلية مثل Vasculotide 6.
وتجدر الإشارة إلى أنه في حين أن التصميم العام للنظام يمكن تعديلها للبشرة مختلفة نماذج، قد تحتاج إلى أن يكون الأمثل الكامنة أساس الأطياف ونثر الشكل. على وجه التحديد، في حين oxy- وديوكسي-هب وصف جيدا نموذج الفأر athymic، وتطبيق نفس النموذج على البشرة الداكنة قد تتطلب إضافة الميلانين لتركيب الأمثل. وبالإضافة إلى ذلك، تمديد DOS عرض النطاق الترددي لموجات ارتفاع من شأنه أن> 950 نانومتر يتطلب إضافة المياه، التي تهيمن على موجات أعلى. وعلاوة على ذلك، النماذج الحيوانية مع سمك الجلد المختلفة قد تتطلب فصل مصدر للكشف عن مختلف لتحسين حساسية العمق. وأخيرا، فإن ميزة أصلع يجعل خوارزميات أبسط. على الرغم من أن نماذج غير أصلع قد يكون الأمثل للأسئلة بحثية معينة، فإنها تتطلب إزالة الشعر قبل القياسات DOS، وتهيج الجلد من هذه العملية قد تؤثر على النتائج. للبحث حيث إجمالي الوظيفة المناعية أمر بالغ الأهمية، ماوس أصلع مناعيا (على سبيل المثال، SKH-1) قد تكون بمثابة نموذج أفضل نظرا لطبيعتها euthymic.
والأنف والحنجرة "> اعتبارات هامة لقياس التحقيق DOS هي ثابت RT وتقدير من المنطقة المعرضة للإشعاع ويمكن تقلبات درجة الحرارة تؤثر على الأنسجة الهيموغلوبين وSTO مستويات 2. قياس مجموعة من 3 الحيوانات غير المشع في كل مرة جمع البيانات قد تكون بمثابة الأساس ل التي التقلبات البيئية غير مقصودة في القيم المعلمة يمكن تطبيع. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون المنطقة المعرضة للإشعاع الصعب تقدير (إذا كانت التحضيرات رفرف الجلد لا تتفق) قبل أن يبدأ الضرر لإظهار بصريا حول يوم 5 (40 غراي). في حالة استخدام علامة دائمة سوداء ل نقطة حدود الجلد المعرضة للإشعاع، وتجنب استخدام الحبر المفرط لمنع تلطخ الحبر، والتي يمكن أن تمس القراءات.ميزة إضافية لهذا النظام القدرة على الفصل بين الامتصاص من خصائص نثر. بينما توفر أيضا أنظمة التصوير الفائقة الطيفية بديلة القدرة على رصد oxyHb وتركيز الهيموغلوبين، وهندسة الفضاء الحر ط التصوير الطيفية لعجزه عن حل التغييرات نثر. قد يؤدي هذا القيد في عدم دقة في عاد oxyHb، هب وSTO 2 المعلمات إذا تغييرات كبيرة في نثر تحدث بسبب حمامي (احمرار). وعلاوة على ذلك، رصد التغيرات نثر باستخدام DOS قد توفر المؤشرات الحيوية البصرية إضافية لتقييم حمامي. كما هو مبين في الشكل (6)، والنتائج الأولية من يوهان وآخرون (2014) تشير إلى أن ألف وك تدل على اتجاه الزمنية التالية الإشعاعات المؤينة التي لا ترتبط مع الاتجاهات التي لوحظت من طرق بديلة أخرى مثل نظم التهديف البصرية. هذا يدل على أن التغييرات نثر لا يعبر بطريقة وصفية بصريا وقد تكون في الواقع تصف عملية بيولوجية منفصلة. ولذلك، بالمقارنة مع الطرق البديلة، ويوفر DOS دقة عالية للتغييرات نثر سطحية، وسيلة لتحقيق رواية المؤشرات الحيوية تلف الجلد التي قد تكون منفصلة من القياسات المعتادة القائمة على الهيموغلوبين.
jove_content "> على الرغم من أن لدينا نموذج يستخدم جرعة واحدة كبيرة من الإشعاع (بدلا من عدة جرعات مجزأة الصغيرة التي تستخدم في إعداد سريرية)، وهذا يقلد الفيزيولوجيا المرضية لالحادة الإشعاعية جلد الإنسان 21. ومن المتوقع أنه قد DOS مع توفير مزيد من التحسين نهج كمي للتسجيل الآلي وموحد من الإشعاع الناجم عن ردود فعل الجلد، وبعد إتقان هذه التقنية، ويمكن أن تشمل التطبيقات المستقبلية الخلافات بين الجلد العلاجات تجنيب الرصد (على سبيل المثال، مقارنة مستويات oxyHb بين السيطرة والعلاج التجريبي للالحماية الراديوية الجلد، أو لالتئام الجروح تعزيز ). وبينما مثالية للالإنتاجية العالية فحص المخدرات في النماذج الحيوانية، ونظام DOS يحتمل قابلة للتكيف مع البيئة السريرية نظرا لسهولة الاستخدام والقدرة على قياس في ظروف الإضاءة العادية. في هذه الحالة، وتصميم المسبار قد تتطلب تعديلات طفيفة مع فصل optode أكبر قليلا لحسابسمك زيادة من جلد الإنسان. ومن شأن نظام DOS السريرية تسمح للتقييم على الانترنت من العلاجات التداخلية التي يمكن أن تقلل ردود فعل الجلد المؤلمة وتحسين راحة المريض والامتثال. في المستقبل، قد يكون من المثير للاهتمام أن توسيع الكمي المستندة إلى DOS إلى ميزات الإشعاع الناجم عن المزمن تلف الجلد (على سبيل المثال، والتليف).Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by research grants awarded to SKL from Abbott CARO (Canadian Association of Radiation Oncologists) Uro-Oncologic Radiation Awards and the Alan E. Tiffin Foundation. EK was supported by the Frederick Banting and Charles Best Canada Graduate Scholarship, the Scace Graduate Fellowship in Prostate Cancer Research and Paul Starita Graduate Student Fellowship.
Materials
| Nude mice | e.g. Charles River | Athymic nude Crl:NU(NCr)-Foxn1nu, or immunocompetent nude Crl:SKH1-Hrhr | |
| Small animal irradiator | e.g. Faxitron X-Ray Corp. | Faxitron CP160 | |
| Animal anaesthesia | If using isoflurane vaporizer machine with induction chamber, need tube and nose cone | ||
| Lead jig and plexiglass stage | Custom made | If irradiator device exposes whole animal body to radiation, lead shielding must be used to expose only the skin flap | |
| Medical tape | |||
| Permanent marker/ear puncher | |||
| Matlab | Mathworks Inc., Natick, MA | With StatisticsToolbox | |
| Labview | National Instruments, Vaudreuil-Dorian, QB | ||
| DOS system | |||
| Optical multiplexer | Ocean Optics, Dunedin, FL | Model MPM-2000 | |
| Spectrometer | Ocean Optics, Dunedin, FL | Model S200 | |
| White light source | Ocean Optics, Dunedin, FL | Model LS-1 | |
| Intralipid-20% | Kabi Pharmacia, New York, NY | ||
| Reflectance standard | INO, Quebec City, QB | ||
References
- Hall, E. J., Giaccia, A. J. . Radiobiology for the Radiologist. , (2011).
- Ryan, J. L. Ionizing Radiation: The Good, the Bad, and the Ugly. J Invest Dermatol. 132, 985-993 (2012).
- Chin, M. S., et al. Hyperspectral imaging for early detection of oxygenation and perfusion changes in irradiated skin. J Biomed Opt. 17 (2), (2012).
- Chin, M. S., et al. Skin perfusion and oxygenation changes in radiation fibrosis. Plast. Reconstr. Surg. 131 (4), 707-716 (2013).
- Yohan, D. Quantitative monitoring of radiation induced skin toxicities in nude mice using optical biomarkers measured from diffuse optical reflectance spectroscopy. Biomed. Opt. Express. 5 (5), 1309-1320 (2014).
- Korpela, E. Vasculotide, an Angiopoietin-1 mimetic reduces acute skin ionizing radiation damage in a preclinical mouse model. BMC Cancer. 14, 614 (2014).
- Stamatas, G. N., Kollias, N. In vivo documentation of cutaneous inflammation using spectral imaging. J. Biomed. Opt. 12 (5), 051603 (2007).
- Turesson, I., Nyman, J., Holmberg, E., Oden, A. Prognostic factors for acute and late skin reactions in radiotherapy patients. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 36, 1065-1075 (1995).
- Rizza, L., D’Agostino, A., Girlando, A., Puglia, C. Evaluation of the effect of topical agents on radiation-induced skin disease by reflectance spectrophotometry. J. Pharm. Pharmacol. 62 (6), 779-785 (2010).
- Wells, M., et al. Does aqueous or sucralfate cream affect the severity of erythematous radiation skin reactions? A randomised controlled trial. Radiother. Oncol. 73 (2), 153-162 (2004).
- Denham, J. W., Hauer-Jensen, M. The radiotherapeutic injury-a complex ‘wound’. Radiother. Oncol. 63 (2), 129-145 (2002).
- Kim, A., Roy, M., Dadani, F., Wilson, B. C. A fiberoptic reflectance probe with multiple source-collector separations to increase the dynamic range of derived tissue optical absorption and scattering coefficients. Opt. Express. 18, 5580-5594 (2010).
- Kim, A., Khurana, M., Moriyama, Y., Wilson, B. C. Quantification of in vivo fluorescence decoupled from the effects of tissue optical properties using fiber-optic spectroscopy measurements. J. Biomed. Opt. 15, 067006 (2010).
- Farrell, T. J., Patterson, M. S., Wilson, B. C. A diffusion theory model of spatially resolved, steady-state diffuse reflectance for the noninvasive determination of tissue optical properties in vivo. Med. Phys. 19 (4), 879-888 (1992).
- Finlay, J. C., Foster, T. H. Hemoglobin oxygen saturations in phantoms and in vivo from measurements of steady-state diffuse reflectance at a single, short source-detector separation. Med Phys. 31 (7), 1949-1959 (2004).
- Mourant, J. R., Fusilier, T., Boyer, J., Johnson, T. M., Bigio, I. J. Predictions and measurements of scattering and absorption over broad wavelength ranges in tissue phantoms. Appl Opt. 36, 949-957 (1997).
- Corlu, A. Uniqueness and wavelength optimization in continuous-wave multispectral diffuse optical tomography. Opt. Lett. 28, 2339-2341 (2003).
- Chin, L., Lloyd, B., Whelan, W. M., Vitkin, A. Interstitial point radiance spectroscopy of turbid media. J App Physics. 105, 102025 (2009).
- Prahl, S. . Tabulated Molar Extinction Coefficient for Hemoglobin in Water. , (1998).
- Douglas, B. G., Fowler, J. F. The effect of multiple small doses of X rays on skin reactions in the mouse and a basic interpretation. Radiat. Res. 178 (2), AV125-AV138 (1976).
- Williams, J. P., et al. Animal models for medical countermeasures to radiation exposure. Radiat. Res. 173 (4), 557-578 (2010).
