Terahertz Imaging and Characterization Protocol for Freshly Excised Breast Cancer Tumors

Terahertz (THz) Bildgebung und Spektroskopie war ein schnell wachsendes Forschungsgebiet in den letzten zehn Jahren. Die kontinuierliche Entwicklung effizienterer und konsistenterer THz-Emitter im Bereich von 0,1–4 THz hat dazu geführt, dass ihre Anwendungen deutlich um¹gestiegen sind. Ein Bereich, in dem THz vielversprechend und deutlich gewachsen ist, ist der biomedizinische Bereich². THz-Strahlung hat sich als nichtionisierend und biologisch sicher auf den Leistungsniveaus im Allgemeinen verwendet, um feste Gewebe zu analysieren³. Als Ergebnis, THz Bildgebung und Spektroskopie wurde verwendet, um zu klassifizieren und zu unterscheiden verschiedene Gewebemerkmale wie Wassergehalt, um Verbrennungsschäden und Heilung⁴, Leberzirrhose⁵, und Krebs in verbraucheten^{Geweben 6,7}anzuzeigen. Krebs-Bewertung insbesondere deckt ein breites Spektrum von potenziellen klinischen und chirurgischen Anwendungen, und wurde für Krebserkrankungen des^Gehirns8 , Leber⁹, Eierstöcke¹⁰, Magen-Darm-Trakt¹¹, und Brust^{7,12,13,14,15,16,17,18,19}.

THz-Anwendungen für Brustkrebs konzentrieren sich in erster Linie auf die Unterstützung der Brustkonservierender Chirurgie oder Lumpektomie durch Margin-Bewertung. Das Ziel einer Lumpektomie ist es, den Tumor und eine kleine Schicht von umgebendem gesundem Gewebe zu entfernen, im Gegensatz zur vollen Mastektomie, die die gesamte Brust entfernt. Der chirurgische Rand des ausgeschnittenen Gewebes wird dann über die Pathologie bewertet, sobald die Probe in Formalin fixiert, geschnitten, in Paraffin eingebettet und in 4 m–5-m-Scheiben auf Mikroskopdias montiert wurde. Dieser Prozess kann zeitaufwändig sein und erfordert einen sekundären chirurgischen Eingriff zu einem späteren Zeitpunkt, wenn eine positive Marge beobachtet wird²⁰. Aktuelle Richtlinien der American Society of Radiation Oncology definieren diese positive Marge als Krebszellen, die mit der Oberflächenrandtinte²¹in Berührung kommen. THz-Bildgebung für hochabsorbierendes hydratisiertes Gewebe beschränkt sich in erster Linie auf Oberflächenbildgebung mit einer unterschiedlichen Penetration basierend auf dem Gewebetyp, was ausreicht, um die chirurgischen Anforderungen einer schnellen Margin-Bewertung zu erfüllen. Eine schnelle Analyse der Randbedingungen während der chirurgischen Einstellung würde die chirurgischen Kosten und die Folgerate erheblich senken. Bis heute hat sich THz bei der Unterscheidung zwischen Krebs und gesundem Gewebe in formal fixierten, paraffinierten (FFPE) Geweben als wirksam erwiesen, aber zusätzliche Untersuchungen sind erforderlich, um einen zuverlässigen Nachweis von Krebs in frisch ausgeschnittenen Geweben zu ermöglichen⁷.

In diesem Protokoll werden die Schritte zur Durchführung von THz-Bildgebung und Spektroskopie an frisch ausgeschnittenen menschlichen Gewebeproben beschrieben, die von einer Biobank gewonnen wurden. THz-Anwendungen, die auf frisch ausgeschnittenen menschlichen Brustkrebsgeweben basieren, wurden selten in veröffentlichten Forschungsarbeiten^7,18,22,23verwendet, insbesondere von Forschungsgruppen, die nicht in ein Krankenhaus integriert sind. Die Verwendung von frisch ausgeschnittenem Gewebe ist ebenfalls selten für andere Krebsanwendungen, wobei die meisten Nicht-Brustkrebs-Beispiele für Darmkrebs^24,25berichtet werden. Ein Grund dafür ist, dass FFPE-Gewebeblöcke viel einfacher zugänglich sind und handhaben als frisch ausgeschnittenes Gewebe, es sei denn, das THz-System, das für die Studie verwendet wird, ist Teil des chirurgischen Arbeitsablaufs. In ähnlicher Weise sind die meisten kommerziellen Labor-THz-Systeme nicht bereit, mit frischem Gewebe umzugehen, und diejenigen, die das tun, befinden sich noch in den Stadien der Verwendung des Zelllinienwachstums oder haben erst begonnen, ausgeschnittenes Gewebe aus Tiermodellen zu untersuchen. Um THz auf eine intraoperative Einstellung anzuwenden, müssen Bildgebungs- und Charakterisierungsschritte für frisches Gewebe im Voraus entwickelt werden, damit die Analyse die Fähigkeit zur Durchführung von Standardpathologie nicht beeinträchtigt. Für Anwendungen, die nicht von Natur aus als intraoperativ gedacht sind, ist die Charakterisierung von frischem Gewebe nach wie vor ein anspruchsvoller Schritt, der auf In-vivo-Anwendungen und Differenzierung ausgerichtet werden muss.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine Richtlinie für die THz-Anwendung für frisch ausgeschnittenes Gewebe mit einem kommerziellen THz-System zu schaffen. Das Protokoll wurde auf einem THz-Bildgebungs- und Spektroskopiesystem²⁶ für murine Brustkrebstumoren^13,17,19 entwickelt und auf menschliches chirurgisches Gewebe aus Biobanken^7,18erweitert. Während das Protokoll für Brustkrebs generiert wurde, können die gleichen Konzepte auf ähnliche THz-Bildgebungssysteme und andere Arten von Festtumorkrebs angewendet werden, die mit einer Operation behandelt werden, bei der der Erfolg von der Margenbewertung abhängt²⁷. Aufgrund einer relativ geringen Menge an veröffentlichten THz-Ergebnissen zu frisch ausgeschnittenen Geweben ist dies die erste Arbeit nach dem Wissen der Autoren, die sich auf das Protokoll der Frischgewebehandhabung für THz-Bildgebung und Charakterisierung konzentriert.