Diffuse spettroscopia ottica per la valutazione quantitativa di acuta radiazioni ionizzanti tossicità cutanee indotte Utilizzando un modello di topo
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
I miglioramenti tecnologici in radioterapia pianificazione (RT) e la consegna ora consentono di dosi terapeutiche altamente conformazionale da consegnare alla regione tumorale, evitando contemporaneamente le normali strutture circostanti. Tuttavia, tossicità acuta ea volte gravi sono inevitabili quando il bersaglio dose elevata è in prossimità alla pelle. Se abbastanza grave, il danno ai tessuti normali risultante può influenzare negativamente il risultato del trattamento RT e la qualità della vita dei pazienti 1,2.
Nonostante le conseguenze negative, la gestione attuale di eritema cutaneo radiazioni rimane aspecifica, utilizzando creme o unguenti che ignorano i meccanismi biologici sottostanti che portano a danni. Questi approcci sono basati su minimizzando sintomi piuttosto che la causa. Inoltre, i tempi e la somministrazione di terapie interventistiche è complicata dalla natura qualitativa e personale di valutazione radiazioni lesioni della pelle. Mentre molti riconosciutoorganizzazioni (RTOG, EORTC) fornire raccomandazioni ottiche di classificazione, le istituzioni variano nella loro scelta di punteggio preferita, oscurando così il confronto di normali tossicità dei tessuti ai fini della meta-analisi. Inoltre, tali sistemi di classificazione sono grezzo e soggetti a variabilità inter-osservatore, in modo tale che le differenze di radiazioni gravità delle lesioni possono essere indistinguibile in studi che valutano strategie di riduzione della tossicità.
Piuttosto che descrivere visivamente il grado di eritema in pelle irradiato, un approccio alternativo è quello di misurare parametri che descrivono quantitativamente i sottostanti cambiamenti fisiologici che si verificano nell'organo. Emoglobina (Hb), tessuto saturazione di ossigeno (STO 2) o livelli di emoglobina ossigenata (oxyHb) sono stati utilizzati come proxy per l'eritema irradiazione indotta nei topi 3-6. A seguito di irradiazione, totale i livelli di emoglobina sono sottoposti a fluttuazioni, ma oxyHb o StO 2 subiscono una caratteristica forte aumento precoce, seguita da unacadere e un altro 3,6 rialzo più persistente. Quando irritanti vengono utilizzati per indurre eritema, livelli oxyHb vascolari correlano direttamente con la gravità della eritema locale e infiammazione 7.
Diffuse spettroscopia ottica (DOS) impiega la luce nel vicino infrarosso per fornire informazioni funzionali sui componenti biochimici e microstrutturali dei componenti vitali tessuti. Questa tecnologia ottica non invasiva quantitativa offre un metodo per misurare la vasodilatazione indotta da citochine in vasi sanguigni che si verificano durante l'eritema via surrogati funzionali di concentrazione Hb e StO 2. Recenti studi confrontando DOS parametri misurati con metodi di punteggio clinici controllati 8-11 indicano la potenzialità della tecnica per superare le limitazioni inerenti alla classificazione corrente sistemi.
Qui si descrive un portatile, sistema DOS in-house che impiega surrogati funzionali per quantitativamente detedifferenze cting di tossicità cutanea indotta da radiazioni in un topo modello preclinico 5. La piattaforma descritto può fornire un mezzo di punteggio dell'eritema standardizzati ad alta sensibilità per la diagnosi precoce e sottile differenziazione di risposta ai farmaci interventistica. Inoltre, con solo minimi adattamenti, la strumentazione può eventualmente essere impiegata clinicamente per il monitoraggio comodino tempo reale.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un approccio DOS per valutare quantitativamente tossicità cutanee radiazioni utilizzando biomarcatori ottici è stato presentato. sistemi di punteggio visivi tossicità cutanea richiedono una formazione di esperti e anche allora sono inclini a inter-osservatore variabilità e la soggettività. Il sistema di analisi e software per DOS è semplice da usare, richiede una formazione minima e restituisce parametri funzionali oggettivi per interpretare i cambiamenti fisiologici in pelle. Inoltre, invece di descrivere l'aspetto di una lesione cutanea come un singolo parametro, DOS fornisce una ricchezza di informazioni in forma spettrale, ottiche e parametri funzionali / microstrutturali che offrono un grado aggiunto di sensibilità e specificità non disponibile nel attuali metodi di punteggio qualitativo. Le sezioni 1 e 7 evidenziano le principali fasi di lavorazione per l'ottenimento di dati spettrali assoluti che possono essere utilizzati per il montaggio quantitativa dei biomarcatori ottici. Background e basale sottrazione sono essenziali per consentire all'utente di eseguirele misurazioni DOS in normali condizioni di luce. Sezione 8 fornisce i modelli ed equazioni necessarie per descrivere topi atimici prima e dopo l'irraggiamento x-ray necessarie. Qui, la scelta di assorbitori appropriati è fondamentale per una descrizione accurata di spettri misurati. E 'consigliabile che l'utente indagare a fondo nella letteratura assorbitori chiave che dominano la gamma di lunghezze d'onda e tessuto di interesse utilizzato in un dato studio prima della costruzione di un modello di raccordo biomarker ottica. Infine, le sezioni 3-5 descrivono il trattamento dei topi atimici durante l'acquisizione DOS. Per evitare di interrompere la vascolarizzazione locale, utilizzare dolce forza per posizionare la sonda DOS sulla superficie della pelle del mouse.
Mentre relativamente poco costoso rispetto ai sistemi di telecamere iperspettrali 3,4, un chiaro limite dell'approccio DOS descritto è l'uso di una sonda punto per la misurazione di riflettanza diffusa. Questa necessità di geometria riflettanza delicato contatto con la pelle eha il potenziale per introdurre incertezza di misura disperdendo il sistema vascolare, se coerente pressione Sonda-pelle non è impiegato. progetti futuri della sonda DOS possono incorporare un sensore di pressione per mantenere i risultati coerenti. Inoltre, mentre l'uso di close sorgente-detector separazione (<2-3 mm) consente profondità di sondaggio ottici specifici alla superficie della pelle, la migliorata specificità giunge in una perdita di risoluzione spaziale rispetto al 2D imaging iperspettrale. Per ridurre al minimo questa limitazione, una scansione quadranti 5 punti che cattura il volume irradiato generale è stato impiegato. Nonostante la mancanza di risoluzione spaziale, lavori precedenti nei topi 5 ha dimostrato la capacità di biomarcatori ottici media su un'area sparse per differenziare non solo la pelle irradiato e non irradiato, ma anche l'impatto di skin sparing farmaci interventistiche quali Vasculotide 6.
Occorre notare che mentre il disegno complessivo sistema può essere modificato per la pelle diversa modelli, la forma sottostante base spettri e dispersione possono avere bisogno di essere ottimizzato. In particolare, mentre ossi- e deossi-Hb e designare un modello di topo atimici, l'applicazione dello stesso modello di pelle più scura possono richiedere l'aggiunta di melanina per montaggio ottimale. Inoltre, l'estensione del DOS banda per lunghezze d'onda più elevate> 950 nm richiederebbero l'aggiunta di acqua, che domina a lunghezze d'onda maggiori. Inoltre, i modelli animali con diversi spessori di pelle possono richiedere una diversa separazione alla fonte-detector per ottimizzare la sensibilità di profondità. Infine, la caratteristica glabro rende algoritmi più semplice. Anche se i modelli non senza peli possono essere ottimali per alcune domande di ricerca, essi richiedono la rimozione dei capelli prima misure DOS, e irritazione della pelle da questo processo possono influenzare i risultati. Per la ricerca in cui la funzione immunitaria totale è di fondamentale importanza, un mouse senza peli immunocompetenti (ad esempio, SKH-1) può servire come un modello migliore per la sua natura eutimia.
ent "> Considerazioni importanti per le misure della sonda DOS sono coerenti RT e la stima della zona irradiata. fluttuazioni di temperatura possono influenzare il tessuto Hb e STO 2 livelli. Misurare un gruppo di 3 animali non irradiati in ogni momento la raccolta dei dati può servire come base per che indesiderate fluttuazioni ambientali nei valori dei parametri possono essere normalizzati. Inoltre, l'area irradiata può essere difficile da stimare (se preparati lembo cutaneo non erano coerenti) prima che il danno comincia a manifestarsi visivamente intorno al giorno 5 (40 Gy). Se si utilizza pennarello indelebile nero per dot i confini della pelle radiazioni esposta, evitare l'uso di inchiostro eccessiva per evitare sbavature d'inchiostro, che può compromettere le letture.Una caratteristica aggiunta del sistema è la capacità di separare assorbimento dalla proprietà dispersive. Mentre i sistemi di imaging iperspettrale alternativi forniscono anche la possibilità di monitorare oxyHb e la concentrazione di emoglobina, la geometria dello spazio libero di iperspettrale di imaging I s in grado di risolvere i cambiamenti di scattering. Questa limitazione può comportare imprecisioni nella tornata oxyHb, Hb e STO 2 parametri se i cambiamenti significativi nella dispersione verificano a causa di eritema (arrossamento). Inoltre, il monitoraggio dei cambiamenti di scattering utilizzando DOS potrebbe fornire biomarcatori ottici supplementari per la valutazione eritema. Come mostrato in figura 6, i risultati iniziali da Yohan et al. (2014) indicano che A e k mostrano una tendenza temporale dopo le radiazioni ionizzanti che non correlano con tendenze osservate da altri metodi alternativi, come sistemi di valutazione visiva. Ciò indica che i cambiamenti di scattering non si manifestano in modo visivamente descrittivo e possono essere infatti descrivono un processo biologico separata. Pertanto, rispetto ai metodi alternativi, DOS offre una risoluzione elevata per le modifiche di scattering superficiali, un viale per indagare nuovi biomarcatori di danno della pelle che può essere separato dai soliti misure Hb-based.
jove_content "> Anche se il nostro modello si avvale di una grande dose singola di radiazioni (anziché più piccole dosi frazionate che vengono utilizzati in ambito clinico), questo imita la fisiopatologia di acuta radiotossicità pelle umana 21. E 'previsto che con un'ulteriore ottimizzazione, DOS può fornire un approccio quantitativo per il punteggio automatizzata e standardizzata di reazioni cutanee indotte dalle radiazioni. Dopo aver imparato questa tecnica, le future applicazioni può includere il monitoraggio delle differenze tra la pelle terapie risparmiatori (ad esempio, confrontando i livelli oxyHb tra un controllo e trattamento sperimentale per la radioprotezione della pelle, o per la promozione la guarigione delle ferite ). Mentre ideale per screening di farmaci ad elevata capacità in modelli animali, il sistema DOS è potenzialmente adattabile all'ambiente clinica a causa della facilità di usabilità e la capacità di misurare in condizioni normali di illuminazione. in questo caso, il disegno sonda può richiedere modifiche minori con un po 'più grandi separazioni optode per tenere conto dil'aumento di spessore della pelle umana. Un sistema DOS clinica permetterebbe per la valutazione on-line di terapie interventistiche che potrebbe ridurre al minimo le reazioni cutanee dolorose e migliorare il comfort del paziente e la conformità. In futuro, potrebbe essere interessante per espandere la quantificazione DOS-based per le caratteristiche di radiazione indotta danni alla pelle cronica (ad esempio, fibrosi).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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