Taze Eksire Lendirilen Meme Kanseri Tümörleri için Terahertz Görüntüleme ve Karakterizasyon Protokolü
Summary
Taze eksintif insan meme kanseri tümörleri terahertz spektroskopisi ve görüntüleme ile yeni doku işleme protokolleri aşağıdaki karakterizedir. Doku konumlandırması, gelecekteki intraoperatif uygulamalar için zamanında analiz sağlarken etkili karakterizasyonu sağlamak için göz önünde bulundurulur.
Abstract
Bu el yazması, darbeli terahertz görüntüleme ve spektroskopi teknikleri kullanarak yeni eksintif insan meme tümörlerini işlemek, karakterize etmek ve imaj haline getirmek için bir protokol sunar. Protokol, normal insidansında terahertz iletim modunu ve 30°’lik eğik açıyla terahertz yansıma modunu içerir. The collected experimental data represent time domain pulses of the electric field. Çıkarılan doku üzerinde sabit bir noktadan iletilen terahertz elektrik alan sinyali, kırılma indisi ve doku emilim katsayısı ayıklamak için analitik bir model aracılığıyla işlenir. Bir step motor tarayıcı kullanarak, terahertz yayılan darbe farklı doku bölgelerinin düzlemsel bir görüntü sağlayan tümör her piksel yansıtılır. Görüntü zaman veya frekans etki alanında sunulabilir. Ayrıca, her pikselde kırılma indisi ve emilim katsayısı çıkarılan verileri tümörün tomografik terahertz görüntü sağlamak için kullanılır. Protokol kanserli ve sağlıklı dokular arasında net bir ayrım göstermektedir. Öte yandan, protokole bağlı kalmamak, tümör yüzeyinde hava kabarcıkları ve sıvı kalıntılarının bulunması nedeniyle gürültülü veya yanlış görüntülere neden olabilir. Protokol meme tümörlerinin cerrahi marjlarının değerlendirilmesi için bir yöntem sağlar.
Introduction
Terahertz (THz) görüntüleme ve spektroskopi son on yılda hızla büyüyen bir araştırma alanı olmuştur. 0.1-4 THz aralığında daha verimli ve tutarlı THz yayıcılar sürekli gelişimi uygulamaları önemli ölçüde büyümeye yaptı1. THz umut ve önemli büyüme göstermiştir bir alan biyomedikal alan2. THz radyasyonun genellikle sabit dokuları analiz etmek için kullanılan güç seviyelerinde soğanlaştırıcı ve biyolojik olarak güvenli olduğu gösterilmiştir3. Sonuç olarak, THz görüntüleme ve spektroskopi sınıflandırmak ve yanık hasarı ve iyileşme4belirtmek için su içeriği gibi çeşitli doku özellikleri ayırt etmek için kullanılmıştır , karaciğer sirozu5, ve ekstesiye dokularda kanser6,7. Özellikle kanser değerlendirmesi potansiyel klinik ve cerrahi uygulamaların geniş bir yelpazede kapsar, ve beyin kanserleri için araştırılmıştır8, karaciğer9, yumurtalıklar10, gastrointestinal sistem11, ve meme7,12,13,14,15,16,17,18,19.
Meme kanseri için THz uygulamaları öncelikle meme koruyucu cerrahi, ya da lumpektomi destekleyen odaklanmıştır, marj değerlendirmesi yoluyla. Bir lumpektomi amacı tümör ve çevreleyen sağlıklı doku küçük bir tabaka kaldırmaktır, tam mastektomi aksine, hangi tüm meme kaldırır. Ekspertisi yapılan dokunun cerrahi marjı, numune formalin, kesitli, parafin içine gömülü ve mikroskop slaytları üzerinde 4 μm-5m dilimler halinde monte edildikten sonra patoloji yoluyla değerlendirilir. Bu süreç zaman alıcı olabilir ve pozitif bir marj gözlenirse daha sonraki bir zamanda ikincil bir cerrahi işlem gerektirir20. Amerikan Radyasyon Onkolojisi Derneği tarafından geçerli kurallar, yüzey seviyesi marjı mürekkep21temas kanser hücreleri sahip olarak bu pozitif marjı tanımlar. Yüksek emilim li sulu doku için THz görüntüleme öncelikle hızlı marj değerlendirme cerrahi ihtiyaçlarını karşılamak için yeterli olan doku tipine göre bazı değişen penetrasyon ile yüzey görüntüleme ile sınırlıdır. Cerrahi ayarı sırasında marj koşullarının hızlı bir analizi cerrahi maliyetleri ve takip işlem oranını büyük ölçüde azaltacak. Bugüne kadar, THz formalin-sabit, parafin gömülü (FFPE) dokularda kanser ve sağlıklı doku arasında ayrım etkili olduğu kanıtlanmıştır, ancak ek araştırma taze ekscised dokularda kanser güvenilir tespit sağlamak için gereklidir7.
Bu protokol, bir biyobanktan alınan taze ekscised insan dokusu örnekleri üzerinde THz görüntüleme ve spektroskopi yapmak için adımları ayrıntıları. Taze eksintise insan meme kanseri dokuları üzerine inşa THz uygulamaları nadiren yayınlanan araştırma kullanılmıştır7,18,22,23, özellikle araştırma grupları tarafından bir hastane ile entegre değil. Taze eksintise dokuların kullanımı aynı şekilde diğer kanser uygulamaları için nadirdir, en meme dışı insan kanseri örnekleri kolon kanseri için rapor ediliyor24,25. Bunun bir nedeni ffpe doku blokları erişim ve çalışma için kullanılan THz sistemi cerrahi iş akışının bir parçası olmadığı sürece yeni eksised doku daha işlemek çok daha kolay olmasıdır. Benzer şekilde, çoğu ticari laboratuvar THz sistemleri taze doku işlemek için hazır değildir, ve bu hala hücre hattı büyüme kullanarak aşamalarında ya da sadece hayvan modellerinden excised doku bakmaya başladı. THz’in intraoperatif bir ortama uygulanması için, taze doku için görüntüleme ve karakterizasyon adımlarını önceden geliştirerek analizin standart patolojiyi gerçekleştirme yeteneğini engellememesi gerekir. Doğal olarak intraoperatif olması amaçlanmayan uygulamalar için, taze dokunun karakterizasyonu hala in vivo uygulamaları ve farklılaşma doğru çalışmak için ele alınması gereken zorlu bir adımdır.
Bu çalışmanın amacı, ticari bir THz sistemi kullanarak yeni ekskised doku için THz uygulaması için bir kılavuz sağlamaktır. Protokol bir THz görüntüleme ve spektroskopi sistemi geliştirilmiştir26 minür meme kanseri tümörleri için13,17,19 ve biobanks elde edilen insan cerrahi doku uzatıldı7,18. Protokol meme kanseri için üretilirken, aynı kavramlar benzer THz görüntüleme sistemleri ve başarı marjı değerlendirme bağlıdır cerrahi ile tedavi edilen katı tümör kanserleri diğer türleri için uygulanabilir27. Taze eksintize dokularda yayınlanan THz sonuçlarının oldukça az bir miktarı nedeniyle, bu thz görüntüleme ve karakterizasyon için taze doku işleme protokolü odaklanmak için yazarların bilgisine ilk çalışmadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Taze dokunun etkili THz yansıması görüntüleme sebeb iki kritik unsura bağlıdır: 1) doku işlemenin doğru değerlendirilmesi (bölüm 2 ve 4.15); ve 2) sahne kurulumu (öncelikle bölüm 4.11). Dokunun yetersiz kuruması, DMEM ve diğer sıvıların yüksek yansımaları nedeniyle bölgelerin yansımasının artmasına ve görüntülenememe neden olabilir. Bu arada, görüntüleme penceresi ile zayıf doku teması sonuçları gizlemek THz yansıma görüntü halkaları veya düşük yansıma noktalar oluşturur. …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) Ödülü # R15CA208798 ve kısmen Ulusal Bilim Vakfı (NSF) Ödülü # 1408007 tarafından finanse edilmiştir. Darbeli THz sistemi için finansman NSF / MRI Ödülü # 1228958 ile elde edildi. Ulusal Hastalık Araştırma Kavşağı (NDRI) tarafından temin edilen dokuların NIH hibe U42OD11158 desteği ile kullanıldığını kabul ediyoruz. Biz de oklahoma Devlet Üniversitesi’nde Oklahoma Hayvan Hastalıkları Tanı Laboratuvarı ile işbirliği bu çalışmada ele tüm dokular üzerinde histopatoloji prosedürü yürütmek için kabul ediyoruz.
Materials
| 70% isopropyl alcohol | VWR | 89108-162 | Contains 70% USP grade isopropanol and 30% USP grade deionized water |
| Alconox powder detergent | VWR | 21835-032 | Concentrated detergent to remove organic contaminants from glass, metal, stainless steel, porcelain, ceramic, plastic, rubber, and fiberglass |
| Bio Hazard Bags | Fisher Scientific | 19-033-712 | Justrite FM-Approved Biohazard Waste Container Replacement Bags |
| Cardboard holder | N/A | N/A | Scrap cardboard to keep tissue imaging face intact when immersed in formalin |
| Centrifuge Tubes | VWR | 10026-078 | Centrifuge Tubes with Flat Caps, Conical-Bottom, Polypropylene, Sterile, Standard Line |
| Cotton Swabs | Walmart | 551398298 | Q-tips Original Cotton Swabs used to dye the tissue |
| Ethyl Alcohol | VWR | 71002-426 | KOPTECH Pure (undenatured) anhydrous (200 proof/100%) ethyl alcohol |
| Eye protection goggles | VWR | 89130-918 | Kimberly-clark professional safety glasses |
| Face Mask | VWR | 95041-774 | DUKAL Corporation surgical masks |
| Filter paper | Sigma Aldrich | Z240087 | Whatman grade 1 cellulose filters |
| Formalin solution | Sigma Aldrich | HT501128-4L | 10% neutral buffered formalin |
| Human freshly excised tumors (Infilterating Ductal Carcinoma (IDC)) | National Disease Research Interchange (NDRI biobank | N/A | A protocol is signed with the NDRI for the type of tumors required |
| IRADECON Bleach solution | VWR | 89234-816 | Pre-diluted Sodium Hypochlorite Bleach solution |
| KIMTECH SCIENCE wipes | VWR | 21905-026 | Kimberly-clark professional Kim wipes |
| Laboratory Coat | VWR | 10141-342 | This catalog number is for medium size coat |
| Laboratory tweezers/Forceps | VWR | 82027-388 | Any laboratory tweezers can be used as long as it does not damage the tissue |
| Liquid sample holder (two quartz windows with a 0.1 mm teflon spacer) | TeraView, Ltd | N/A | 1" diameter, and 0.1452" thick quartz windows |
| Nitrile hand gloves | VWR | 82026-426 | This catalog number is for medium size gloves |
| Nitrogen cylinder | Airgas | NI UHP300 | NITROGEN UHP GR 5.0 SIZE 300 |
| Paper towel | VWR | 14222-321 | 11 x 8.78" Sheets, 1 Ply |
| Parafilm | VWR | 52858-076 | Flexible thermoplastic. Rolled, waterproof sheet interwound with paper to prevent self-adhesion. |
| Petri Dish | VWR | 470210-568 | VWR Petri Dish, Slippable, Mono Plate (undivided bottom) |
| Polystyrene Plate | Home Depot | 1S11143A | ~ 10 x 10 cm square piece cut from a 11" x 14" x 0.05" Non-glare styrene sheet |
| ScanAcquire Software | TeraView, Ltd | N/A | System Software for THz reflection imaging measurements |
| Stainless steel low-profile blade (#4689) | VWR | 25608-964 | Tissue-Tek Accu-Edge Disposable Microtome Blades |
| Stainless steel metal tray | Quick Medical | 10F | Polar Ware Stainless Steel Medical Instrument Trays |
| Tissue Marking Dyes | Ted Pella, Inc | Yellow Dye #27213-1 Red Dye #27213-2 Blue Dye #27213-4 |
Used to orient excised tissue samples sent to the histopathology laboratory |
| TPS Spectra 3000 | TeraView, Ltd | N/A | THz imaging and spectroscopy system |
| TPS Spectra Software | TeraView, Ltd | N/A | System Software for THz transmission spectroscopy measurements |
References
- Burford, N. M., El-Shenawee, M. O. Review of terahertz photoconductive antenna technology. Optical Engineering. 56 (1), 010901 (2017).
- Sun, Q., et al. Recent advances in terahertz technology for biomedical applications. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 7 (3), 345-355 (2017).
- Wilmink, G. J., et al. In vitro investigation of the biological effects associated with human dermal fibroblasts exposed to 2.52 THz radiation. Lasers in Surgery and Medicine. 43 (2), 152-163 (2011).
- Arbab, M. H., et al. Terahertz spectroscopy for the assessment of burn injuries in vivo. Journal of Biomedical Optics. 18 (7), 077004 (2013).
- Sy, S., et al. Terahertz spectroscopy of liver cirrhosis: investigating the origin of contrast. Physics in Medicine and Biology. 55 (24), 7587-7596 (2010).
- Yu, C., Fan, S., Sun, Y., Pickwell-Macpherson, E. The potential of terahertz imaging for cancer diagnosis: A review of investigations to date. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 2 (1), 33-45 (2012).
- El-Shenawee, M., Vohra, N., Bowman, T., Bailey, K. Cancer detection in excised breast tumors using terahertz imaging and spectroscopy. Biomedical Spectroscopy and Imaging. 8 (1-2), 1-9 (2019).
- Yamaguchi, S., et al. Brain tumor imaging of rat fresh tissue using terahertz spectroscopy. Scientific Reports. 6 (30124), 1-6 (2016).
- Rong, L., et al. Terahertz in-line digital holography of human hepatocellular carcinoma tissue. Scientific Reports. 5 (8445), 1-6 (2015).
- Park, J. Y., Choi, H. J., Nam, G., Cho, K., Son, J. In Vivo Dual-Modality Terahertz / Magnetic Resonance Imaging Using Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles as a Dual Contrast Agent. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2 (1), 93-98 (2012).
- Ji, Y. B., et al. Feasibility of terahertz reflectometry for discrimination of human early gastric cancers. Biomedical Optics Express. 6 (4), 1413-1421 (2015).
- Bowman, T., et al. A Phantom Study of Terahertz Spectroscopy and Imaging of Micro- and Nano-diamonds and Nano-onions as Contrast Agents for Breast Cancer. Biomedical Physics and Engineering Express. 3 (5), 055001 (2017).
- Chavez, T., Bowman, T., Wu, J., Bailey, K., El-Shenawee, M. Assessment of Terahertz Imaging for Excised Breast Cancer Tumors with Image Morphing. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 39 (12), 1283-1302 (2018).
- Bowman, T. C., El-Shenawee, M., Campbell, L. K. Terahertz Imaging of Excised Breast Tumor Tissue on Paraffin Sections. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 63 (5), 2088-2097 (2015).
- Bowman, T., El-Shenawee, M., Campbell, L. K. Terahertz transmission vs reflection imaging and model-based characterization for excised breast carcinomas. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3756-3783 (2016).
- Bowman, T., Wu, Y., Gauch, J., Campbell, L. K., El-Shenawee, M. Terahertz Imaging of Three-Dimensional Dehydrated Breast Cancer Tumors. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 38 (6), 766-786 (2017).
- Bowman, T., et al. Pulsed terahertz imaging of breast cancer in freshly excised murine tumors. Journal of Biomedical Optics. 23 (2), 026004 (2018).
- Bowman, T., Vohra, N., Bailey, K., El-Shenawee, M. Terahertz tomographic imaging of freshly excised human breast tissues. Journal of Medical Imaging. 6 (2), 023501 (2019).
- Vohra, N., et al. Pulsed Terahertz Reflection Imaging of Tumors in a Spontaneous Model of Breast Cancer. Biomedical Physics and Engineering Express. 4 (6), 065025 (2018).
- Jacobs, L. Positive margins: the challenge continues for breast surgeons. Annals of Surgical Oncology. 15 (5), 1271-1272 (2008).
- Moran, M. S., et al. Society of Surgical Oncology–American Society for Radiation Oncology Consensus Guideline on Margins for Breast-Conserving Surgery With Whole-Breast Irradiation in Stages I and II Invasive Breast Cancer. International Journal of Radiation Oncology. 88 (3), 553-564 (2014).
- Fitzgerald, A. J., et al. Terahertz Pulsed Imaging of human breast tumors. Radiology. 239 (2), 533-540 (2006).
- Ashworth, P. C., et al. Terahertz pulsed spectroscopy of freshly excised human breast cancer. Optics Express. 17 (15), 12444-12454 (2009).
- Doradla, P., Alavi, K., Joseph, C., Giles, R. Detection of colon cancer by continuous-wave terahertz polarization imaging technique. Journal of Biomedical Optics. 18 (9), 090504 (2013).
- Reid, C. B., et al. Terahertz pulsed imaging of freshly excised human colonic tissues. Physics in Medicine and Biology. 56 (1), 4333-4353 (2011).
- . Teraview.com Available from: https://teraview.com (2019)
- Orosco, R. K., et al. Positive Surgical Margins in the 10 Most Common Solid Cancers. Scientific Reports. 8 (1), 1-9 (2018).
- Bowman, T., et al. Statistical signal processing for quantitative assessment of pulsed terahertz imaging of human breast tumors. 2017 42nd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). , 1-2 (2017).
- Gavdush, A. A., et al. Terahertz spectroscopy of gelatin-embedded human brain gliomas of different grades: a road toward intraoperative THz diagnosis. Journal of Biomedical Optics. 24 (2), 027001 (2019).
