Terahertz Imaging and Characterization Protocol for Freshly Excised Breast Cancer Tumors

Terahertz (THz) beeldvorming en spectroscopie is een snel groeiend gebied van onderzoek in het afgelopen decennium. De voortdurende ontwikkeling van efficiëntere en consistenteTHz-zenders in het bereik van 0,1-4 THz heeft ervoor gezorgd dat hun toepassingen aanzienlijk groeien¹. Een gebied waar THz heeft aangetoond belofte en aanzienlijke groei is de biomedische veld². THz-straling is aangetoond dat nonionizing en biologisch veilig op de vermogensniveaus die over het algemeen worden gebruikt om vaste weefsels te analyseren³. Als gevolg hiervan is THz imaging en spectroscopie gebruikt om verschillende weefselkenmerken te classificeren en te differentiëren, zoals watergehalte om brandschade en genezing aan te geven⁴, levercirrose⁵, en kanker in uitgesneden weefsels^6,7. Kankerbeoordeling omvat met name een breed scala aan potentiële klinische en chirurgische toepassingen, en is onderzocht op^{hersenkanker8,}lever⁹, eierstokken¹⁰, maag-darmkanaal¹¹en borst^{7,12,13,14,15,16,17,18,19}.

THz toepassingen voor borstkanker zijn voornamelijk gericht op het ondersteunen van borstsparenchirurgie, of lumpectomie, via margebeoordeling. Het doel van een lumpectomie is het verwijderen van de tumor en een kleine laag omringend gezond weefsel, in tegenstelling tot volledige borstamputatie, die de hele borst verwijdert. De chirurgische marge van het uitgesneden weefsel wordt vervolgens beoordeeld via pathologie zodra het monster is vastgesteld in formaline, verdeeld, ingebed in paraffine, en gemonteerd in 4 μm-5 μm plakjes op microscoopdia’s. Dit proces kan tijdrovend zijn en vereist een secundaire chirurgische ingreep op een later tijdstip als een positieve marge wordt waargenomen²⁰. Huidige richtlijnen van de American Society of Radiation Oncology definiëren deze positieve marge als het hebben van kankercellen contact opnemen met het oppervlak-niveau marge inkt²¹. THz beeldvorming voor hoog-absorptie gehydrateerd weefsel is voornamelijk beperkt tot oppervlakte beeldvorming met een aantal verschillende penetratie op basis van weefsel type, dat is voldoende voor het voldoen aan de chirurgische behoeften van een snelle marge beoordeling. Een snelle analyse van de margevoorwaarden tijdens de chirurgische instelling zou de chirurgische kosten en het beoordelingsproces sterk verlagen. Tot op heden heeft THz bewezen effectief te zijn in het onderscheiden van kanker en gezond weefsel in formaline-vaste, paraffine-ingebedde (FFPE) weefsels, maar aanvullend onderzoek is nodig om betrouwbare detectie van kanker in vers uitgesneden weefsels te bieden⁷.

Dit protocol beschrijft de stappen voor het uitvoeren van THz-beeldvorming en spectroscopie op vers uitgesneden menselijke weefselmonsters die zijn verkregen bij een biobank. THz-toepassingen gebouwd op vers uitgesneden menselijke borstkanker weefsels zijn zelden gebruikt in gepubliceerd onderzoek^7,18,22,23, vooral door onderzoeksgroepen niet geïntegreerd met een ziekenhuis. Het gebruik van vers uitgesneden weefsels is eveneens zeldzaam voor andere kankertoepassingen, met de meeste niet-borstkankervoorbeelden die voor darmkanker^24,25worden gemeld. Een van de redenen hiervoor is dat FFPE weefselblokken zijn veel gemakkelijker te bereiken en te hanteren dan vers uitgesneden weefsel, tenzij de THz-systeem wordt gebruikt voor de studie is onderdeel van de chirurgische workflow. Op dezelfde manier zijn de meeste commerciële laboratorium THz-systemen niet bereid om vers weefsel te verwerken, en degenen die dat wel doen, bevinden zich nog in de stadia van het gebruik van cellijngroei of zijn pas begonnen met het bekijken van uitgesneden weefsel van diermodellen. Om THz toe te passen op een intraoperatieve instelling moeten imaging- en karakteriseringsstappen vooraf worden ontwikkeld voor vers weefsel, zodat de analyse de mogelijkheid om standaardpathologie uit te voeren niet verstoort. Voor toepassingen die niet inherent bedoeld zijn om intraoperatief te zijn, is de karakterisering van vers weefsel nog steeds een uitdagende stap die moet worden aangepakt om te werken aan in vivo toepassingen en differentiatie.

Het doel van dit werk is om een richtlijn te bieden voor THz-toepassing voor vers uitgesneden weefsel met behulp van een commercieel THz-systeem. Het protocol werd ontwikkeld op een THz imaging en spectroscopie systeem²⁶ voor murine borstkanker tumoren^13,17,19 en werd uitgebreid tot menselijk chirurgisch weefsel verkregen uit biobanken^7,18. Terwijl het protocol werd gegenereerd voor borstkanker, dezelfde concepten kunnen worden toegepast op soortgelijke THz imaging systemen en andere vormen van vaste-tumor kankers die worden behandeld met een operatie waar succes hangt af van marge beoordeling²⁷. Door een vrij kleine hoeveelheid gepubliceerde THz-resultaten op vers uitgesneden weefsels, is dit het eerste werk voor de kennis van de auteurs om zich te concentreren op het protocol van vers weefselbehandeling voor THz-beeldvorming en karakterisering.