Diffuse Optische Spektroskopie zur quantitativen Beurteilung Akute ionisierender Strahlung induzierte Hauttoxizität Mit einem Maus-Modell
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
Technologische Verbesserungen in der Strahlentherapie (RT) Planung und Lieferung jetzt hochkonformale therapeutischen Dosen zu ermöglichen, in die Tumorregion geliefert werden, während gleichzeitig normale umgebenden Strukturen zu schonen. Noch, akute und manchmal schwere Toxizitäten sind unvermeidbar, wenn die hohe Dosis Ziel in der Nähe der Haut. Wenn eine schwere genug ist , kann das resultierende normale Gewebeschäden wirken sich negativ auf die RT Behandlungsergebnisse und Lebensqualität der Patienten 1,2.
Trotz der nachteiligen Folgen, bleibt vorhanden Management von Strahlung Hautrötung unspezifisch, unter Verwendung von Cremes oder Salben, die die zugrunde liegenden biologischen Mechanismen, die zu Schäden ignorieren. Diese Ansätze basieren auf Symptome und nicht die Ursache zu minimieren. Darüber hinaus ist die zeitliche Planung und Verwaltung von interventionellen Therapien durch die qualitative und subjektive Natur der Strahlung Hautverletzungen Beurteilung kompliziert. Während mehrere anerkanntOrganisationen (RTOG, EORTC) visuelle Einstufung Empfehlungen bieten, variieren Institutionen bei der Wahl der bevorzugten Scoring, wodurch Vergleiche von normalem Gewebe Toxizitäten für die Zwecke der Meta-Analysen verschleiern. Ferner sind solche Sortiersysteme grob und anfällig für Inter-observer Variabilität, so dass Unterschiede in der Schwere Strahlenschäden in Studien ununterscheidbar sein können Strategien Toxizitätsminderung auswertet.
Anstatt visuell den Grad der Erytheme in bestrahlte Haut beschreibt, ist ein alternativer Ansatz Parameter zu messen, die quantitativ die zugrunde liegenden physiologischen Veränderungen beschreiben, die in das Organ auftritt. Blut – Hämoglobin (Hb), Gewebesauerstoffsättigung (StO 2) oder oxygeniertem Hämoglobin (Oxy – Hb) Levels wurden als Stellvertreter für die Bestrahlung induzierten Erythem bei Mäusen 3-6 verwendet. Nach der Bestrahlung unterziehen Gesamthämoglobinspiegel Schwankungen, aber Oxy – Hb oder StO 2 durchlaufen einen charakteristischen frühen starken Anstieg, gefolgt von einemfallen und ein weiterer hartnäckiger Anstieg 3,6. Wenn Reizstoffe verwendet werden Hauterythem, vaskuläre Oxy – Hb Ebenen direkt mit der Schwere der lokalen Erythem und Entzündungen 7 korrelieren zu induzieren.
Diffuse optische Spektroskopie (DOS) verwendet Nahinfrarotlicht funktionelle Informationen über die biochemischen und mikrostrukturellen Bestandteile von lebenswichtigen Geweben Komponenten. Diese quantitative, non-invasive optische Technologie bietet eine Methode , um die Cytokin-induzierte Vasodilatation in Blutgefäße zu messen , die 2 während Erythema über funktionelle Surrogate Hb – Konzentration und StO auftreten. Jüngste Studien DOS gemessenen Parameter mit kontrollierten klinischen Scoring – Methoden 8-11 Vergleich zeigen das Potential der Technik zur Überwindung der Beschränkungen , die den aktuellen Sortier Systemen.
Hier beschreiben wir ein hauseigenes, tragbar, DOS-System, das für die quantitative dete funktionelle Surrogate beschäftigtfesselndes Unterschiede in strahleninduzierten Hauttoxizität in einem präklinischen Mausmodell 5. Die beschriebene Plattform kann für die Früherkennung und subtile Differenzierung der interventionellen Ansprechen auf das Medikament mit hoher Empfindlichkeit eine mittels standardisierter Erythem Scoring bieten. Darüber hinaus mit nur geringfügigen Anpassungen kann die Instrumentierung schließlich klinisch zur Überwachung am Krankenbett in Echtzeit verwendet werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ein DOS-Ansatz zur quantitativen Beurteilung der Strahlung Haut Toxizitäten unter Verwendung von optischen Biomarker vorgestellt wurde. Visuelle Hauttoxizität Scoring-Systeme erfordern Ausbildung von Experten und selbst dann sind anfällig für Interobserver Variabilität und Subjektivität. Die DOS-System und Analyse-Software ist einfach zu bedienen, erfordert minimales Training und liefert objektive Funktionsparameter für die Interpretation physiologischen Veränderungen in der Haut. Darüber hinaus kann anstelle das Aussehen einer Hautveränderung als ein einzelner Parameter beschreiben, bietet DOS eine Fülle von Informationen in der spektralen Form, optische Eigenschaften und Funktions / mikrostrukturellen Parametern, die einen zusätzlichen Grad an Sensitivität und Spezifität nicht im aktuellen qualitativen Scoring-Methoden bieten. Die Abschnitte 1 und 7 verdeutlichen die Hauptverarbeitungsschritte zum absoluten spektralen Daten zu erhalten, die für die quantitative Einbau von optischen Biomarkern verwendet werden können. Hintergrund und die Grundlinie Subtraktion sind entscheidend, damit der Benutzer auszuführendie DOS-Messungen unter normalen Lichtverhältnissen. Abschnitt 8 stellt die notwendigen Modelle und Gleichungen benötigt athymischen Mäusen vor und nach der Röntgenbestrahlung zu beschreiben. Dabei ist die Wahl der geeigneten Absorber entscheidend für eine genaue Beschreibung der gemessenen Spektren. Es wird empfohlen, dass der Benutzer sorgfältig die wichtigsten Absorber in der Literatur zu untersuchen, die den Wellenlängenbereich und Gewebe von Interesse in einer gegebenen Studie einen optischen Biomarker zu konstruieren Anpassungsmodell vor verwendet dominieren. Schließlich beschreiben 3-5 Abschnitte die Handhabung der athymischen Mäusen während der DOS-Akquisition. Um zu vermeiden, die lokale Gefäß zu stören, verwenden Sie sanfte Kraft, um die DOS-Sonde auf der Maus Hautoberfläche zu platzieren.
Während relativ preiswert im Vergleich zu hyperspektralen Kamerasysteme 3,4 eine klare Begrenzung der DOS beschriebenen Ansatz ist die Verwendung eines Punkt – Sonde zur Messung der diffusen Reflexion. Diese Reflexionsgeometrie Notwendigkeiten sanften Kontakt mit der Haut undhat das Potenzial, durch Dispergieren des Gefäßsystems, wenn konsistente Sonde-Haut Druck Messunsicherheit einführen nicht verwendet wird. Zukünftige Designs der DOS Sonde kann einen Drucksensor enthalten, um konsistente Ergebnisse beizubehalten. Ferner kann, während die Verwendung von nahe Quelle-Detektor-Abstand (<2-3 mm) für optische Sondierungstiefen spezifisch auf die Hautoberfläche ermöglicht, kommt die verbesserte Spezifität zu einem Verlust der räumlichen Auflösung im Vergleich zu 2D hyperspektralen Abbildungs. Zur Minimierung dieser Einschränkung, einen 5-Punkt-Quadranten-Scan, der das gesamte bestrahlte Volumen erfasst wurde verwendet. Trotz des Fehlens der räumlichen Auflösung, frühere Arbeiten in Mäusen 5 hat die Fähigkeit der optischen Biomarkern gezeigt über einen Sparse – Bereich gemittelt nicht nur bestrahlten und nicht bestrahlten Haut zu differenzieren , sondern auch die Auswirkungen der Haut schonen interventionellen Medikamente wie Vasculotide 6.
Es sollte beachtet werden, dass, während die Gesamtsystem-Design kann für verschiedene Haut modifiziert werden Modelle, die zugrunde liegende Basis Spektren und Streu Form kann optimiert werden müssen. Genauer gesagt, während Oxy- und Desoxy-Hb auch ein athymischen Mausmodell beschreiben, um die Anwendung des gleichen Modells auf dunkler Haut kann die Zugabe von Melanin für optimale Anpassung erfordern. Zusätzlich Verlängerung der DOS Bandbreite zu höheren Wellenlängen> 950 nm die Zugabe von Wasser erforderlich machen würden, die bei höheren Wellenlängen dominiert. Außerdem Tiermodellen mit unterschiedlichen Hautdicken können eine andere Quelle-Detektor-Abstand erfordern Tiefe Empfindlichkeit zu optimieren. Schließlich macht die unbehaarte Feature Algorithmen einfacher. Obwohl nicht haarlos Modelle für bestimmte Forschungsfragen optimal sein können, werden sie Haarentfernung vor DOS-Messungen und Hautreizungen aus diesem Prozess erfordern Ergebnisse beeinflussen können. Für die Forschung , wo insgesamt Immunfunktion von entscheidender Bedeutung ist, ein immunokompetente Nacktmaus (zB SKH-1) kann als ein besseres Modell aufgrund seiner euthymic Natur dienen.
ent "> sind wichtige Überlegungen für DOS Sondenmessungen konsistent RT und Abschätzung des bestrahlten Bereichs. Temperaturschwankungen Gewebe Hb und StO 2 Ebenen beeinflussen können. bei jeder Datenerfassungszeit eine Gruppe von 3 nicht bestrahlten Tiere Messung als Grundlage dienen können die unbeabsichtigte Umweltschwankungen Parameterwerte normalisiert. Zusätzlich werden kann, kann der bestrahlten Fläche schwierig sein abzuschätzen (wenn Hautlappen Zubereitungen, die nicht konsistent waren) vor Schäden visuell um den Tag zu manifestieren beginnt 5 (40 Gy). wenn schwarz Permanentmarker zur Verwendung von die Grenzen der Strahlung ausgesetzten Haut Punkt, vermeiden übermäßige Tintennutzwirkungsgrad Verschmieren der Tinte zu verhindern, die Messwerte beeinträchtigen können.Ein weiteres Merkmal des Systems ist die Fähigkeit, die Absorption von Streueigenschaften zu trennen. Während alternative hyperspektrale Systeme bieten auch die Möglichkeit, Oxy-Hb und Hb-Konzentration, die Freiraum-Geometrie von hyperspektrale Bild i zu überwachen s nicht in der Lage Streuung Änderungen zu lösen. Diese Beschränkung kann in Ungenauigkeiten in der zurück Oxy – Hb, Hb und StO 2 Parameter führen , wenn wesentliche Änderungen in Streuung aufgrund von Erythem (Rötung) auftreten. Ferner können zusätzliche optische Biomarker für Erythem Auswertung liefern DOS Überwachung von Streu Änderungen verwenden. Wie in 6 gezeigt, et die ersten Ergebnisse von Yohan al. (2014) zeigen , dass A und k einen zeitlichen Trend nach ionisierender Strahlung zeigen , die mit den Trends korrelieren nicht von anderen alternativen Methoden wie visuelle Scoring – Systeme beobachtet. Dies zeigt, daß Veränderungen manifestieren Streuung nicht in einer visuell beschreibenden Art und Weise und in der Tat kann ein separates biologischen Prozess werden beschrieben werden. Daher kann im Vergleich zu alternativen Methoden bietet DOS eine hohe Auflösung für oberflächliche Streuung ändert, einen Weg für neuartige Hautschäden Biomarker untersucht, die von den üblichen Hb-basierten Messungen getrennt sein.
jove_content "> Obwohl unser Modell verwendet eine große Einzelstrahlendosis (anstatt mehrere kleine fraktionierten Dosen, die im klinischen Umfeld eingesetzt werden), diese ahmt die Pathophysiologie der akuten menschlichen Haut Radiotoxität 21. Es ist vorgesehen , dass mit der weiteren Optimierung, DOS bereitstellen einen quantitativen Ansatz für die automatisierte und standardisierte Scoring von strahleninduzierten Hautreaktionen kommen . nach dieser Technik zu meistern, können zukünftige Anwendungen umfassen die Überwachung Unterschiede zwischen Haut schonen Therapeutika (zB Oxy – Hb Ebenen zwischen einer Kontroll- und experimentellen Behandlung für Haut Radioprotektion zu vergleichen, oder zur Wund Förderung Heilung ). Während sich ideal für Hochdurchsatz-Wirkstoffscreening in Tiermodellen ist das DOS-System potenziell anpassungsfähig an die klinische Umgebung aufgrund der leichten Bedienbarkeit und die Möglichkeit, bei normalen Lichtverhältnissen zu messen. in diesem Fall kann die Sonde Design geringfügige Änderungen erfordern mit etwas größeren Optodenschichten Trennungen zu berücksichtigenDie erhöhte Dicke der menschlichen Haut. Eine klinische DOS-System würde für die Online-Auswertung von interventionellen Therapien ermöglichen, die schmerzhafte Hautreaktionen zu minimieren und eine Patientenkomfort und Compliance zu verbessern. In Zukunft könnte es interessant sein , DOS-basierte Quantifizierung der Merkmale der chronischen Strahlung induzierten Hautschäden zu erweitern (zB Fibrose).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
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