Tissue-simuleren Phantoms voor de beoordeling van potentiële nabij-infrarood fluorescentie beeldvorming Toepassingen in Borstkanker Chirurgie
Summary
Near-infrared fluorescence (NIRF) imaging may improve therapeutic outcome of breast cancer surgery by enabling intraoperative tumor localization and evaluation of surgical margin status. Using tissue-simulating breast phantoms containing fluorescent tumor-simulating inclusions, potential clinical applications of NIRF imaging in breast cancer patients can be assessed for standardization and training purposes.
Abstract
Onnauwkeurigheden in intraoperatieve tumor lokalisatie en evaluatie van chirurgische margestatus resultaat in een suboptimale uitkomst van een borstsparende operatie (BCS). Optical imaging, met name nabij-infrarood fluorescentie (NIRF) beeldvorming, kan de frequentie van positieve snijvlakken na BCS verminderen door de chirurg een instrument vooraf en intraoperatieve tumor lokalisatie in real-time. In de huidige studie, is het potentieel van NIRF-begeleide BCS geëvalueerd met behulp van weefsel simuleren borst fantomen om redenen van standaardisatie en de beroepsopleiding.
Borst fantomen met optische eigenschappen vergelijkbaar met die van normaal borstweefsel werden gesimuleerd borstsparende chirurgie. Tumor simuleren insluitsels die de fluorescerende kleurstof indocyaninegroen (ICG) werden opgenomen in de fantomen op vooraf bepaalde locaties en afgebeeld voor pre-en intraoperatieve tumor lokalisatie, real-time NIRF-begeleide tumor resectie, NIRF-begeleideover de omvang van de operatie en postoperatieve beoordeling van snijvlakken. Een aangepaste NIRF camera werd gebruikt als klinisch prototype voor beeldvormingsdoeleinden.
Breast fantomen die tumor nabootsen insluitsels bieden een eenvoudige, goedkope en veelzijdig gereedschap te simuleren en evalueren intraoperative tumor imaging. De gelatineuze fantomen elastische eigenschappen hebben vergelijkbaar met humane weefsels en kan worden gesneden met conventionele chirurgische instrumenten. Bovendien, de fantomen bevatten hemoglobine en intralipide voor nabootsen absorptie en verstrooiing van fotonen respectievelijk instelling van uniforme optische eigenschappen vergelijkbaar met humane borstweefsel. Het belangrijkste nadeel van NIRF beeldvorming is de beperkte penetratie diepte van fotonen wanneer verspreiden via weefsel, dat (niet-invasieve) beeldvorming van diepgewortelde tumoren met epi-verlichting strategieën belemmert.
Introduction
Borstsparende operatie (BCS), gevolgd door radiotherapie is de standaard behandeling voor borstkanker patiënten met T 1-T 2 mammacarcinoom 1,2. Onjuistheden in intraoperatieve evaluatie van de omvang van de operatie leiden tot positieve chirurgische marges in 20 tot 40% van de patiënten die BCS onderging, noodzakelijk aanvullende chirurgische ingreep of radiotherapie 3,4,5. Hoewel uitgebreide resectie van de aangrenzende gezonde borstweefsel de frequentie van positieve chirurgische marges kunnen verminderen, zal dit ook belemmeren cosmetisch resultaat en verhogen comorbiditeit 6,7. Nieuwe technieken zijn daarom noodzakelijk dat intraoperatieve feedback op de locatie van de primaire tumor en de mate van chirurgie. Optische beeldvorming, in het bijzonder nabij-infrarood fluorescentie (NIRF) beeldvorming, kan de frequentie van positieve chirurgische marges volgende BCS te verminderen door de chirurg met een instrument voor pre-en intraoperatieve tumor lokalisatie in real-tijd. Onlangs heeft onze groep rapporteerde over de eerste studie in de mens van de tumor gerichte fluorescentie beeldvorming bij patiënten met ovariumcarcinoom, die de haalbaarheid van deze techniek om primaire tumoren en intraperitoneale metastasen te detecteren met een hoge gevoeligheid 8. Alvorens over te gaan tot de klinische studies bij patiënten met borstkanker, maar de haalbaarheid van diverse tumor gerichte NIRF imaging toepassingen in BCS kan nu al worden geëvalueerd preklinisch met fantomen.
Het volgende onderzoek protocol beschrijft het gebruik van NIRF beeldvorming bij weefsel simuleren borst fantomen met tl-tumor simuleren insluitsels 9. De fantomen een goedkoop en veelzijdig gereedschap te simuleren voor en intraoperatieve tumor lokalisatie, real-time NIRF geleide tumor resectie, beoordeling van de chirurgische margestatus en detectie van residual disease. De geleiachtige fantomen hebben elastische eigenschappen vergelijkbaar met menselijk weefsel en kan worden gesneden met behulp van conventionele enurgical instrumenten. Tijdens de gesimuleerde chirurgische ingreep, is de chirurg geleid door tactiele informatie (in het geval van tastbare insluitingen) en visuele inspectie van het operatiegebied. Bovendien wordt NIRF beeldvorming toegepast op de chirurg real-time intraoperative feedback van de omvang van chirurgie.
Benadrukt moet worden dat NIRF beeldvorming vereist het gebruik van fluorescerende kleurstoffen. Idealiter fluorescente kleurstoffen worden gebruikt die fotonen in het nabije infrarood spectrum uitzenden (650-900 nm) absorptie en verstrooiing van fotonen door moleculen fysiologisch rijk aan weefsel minimaliseren (bijvoorbeeld hemoglobine, lipiden, elastine, collageen en water) 10,11. Bovendien autofluorescentie (dwz de intrinsieke fluorescentie activiteit in weefsel als gevolg van biochemische reacties in levende cellen) wordt geminimaliseerd in het nabij-infrarode spectrale gebied, resulteert in optimale tumor-to-background ratio 11. Door het vervoegen NIRF kleurstoffen aan tumor-targeted groepen (bijvoorbeeld, monoklonale antilichamen), kan gerichte toediening van fluorescerende kleurstoffen worden verkregen voor intra-operatieve beeldvorming toepassingen.
Aangezien het menselijk oog ongevoelig is voor licht in het nabij-infrarode spectrale gebied, is een zeer gevoelige camera apparaat vereist NIRF beeldvorming. Verschillende NIRF beeldvormende systemen voor intra-operatieve gebruik zijn tot nu toe 12 ontwikkeld. In de huidige studie hebben we gebruik gemaakt van een custom build NIRF imaging-systeem, dat is ontwikkeld voor intra-operatieve toepassing in samenwerking met de Technische Universiteit van München. Het systeem zorgt voor een gelijktijdige aankoop van afbeeldingen in kleur en fluorescentie beelden. Om de nauwkeurigheid van de fluorescentiebeelden te verbeteren, wordt een correctie ingestelde regeling variaties in lichtintensiteit in weefsel. Een gedetailleerde beschrijving wordt verschaft door Themelis et al. 13
Protocol
Representative Results
Discussion
We gesimuleerde potentiële klinische toepassingen van NIRF geleide BCS door het gebruik van borst-vormige fantomen met geïntegreerde tumor nabootsen insluitsels. Intraoperatieve tumor lokalisatie, NIRF-begeleide tumor resectie, de evaluatie van de omvang van de operatie, en postoperatieve evaluatie van de chirurgische marges bleken allemaal haalbaar is met behulp van een op maat bouwen NIRF camerasysteem. Invasieve detectie van fluorescentie-tumor nabootsen insluitsels slechts haalbaar voor insluitsels gelegen in het …
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by a grant from the Jan Kornelis de Cock foundation.
Materials
| Bovine hemoglobin | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | H2500 | Simulates absorption of photons in tissue |
| Intralipid 20% | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | I141 | Simulates scattering of photons in tissue |
| Silicone A translucent 40 (2-components poly-addition silicone) | NedForm, Geleen, The Netherlands | N/A | Package consists of components A and B, that should be mixed one on one (A:B=10:1). Link to manufacturers page: http://tinyurl.com/ncjq7jx |
| Gelatine 250 Bloom | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | 48724 | Construction of breast-shaped phantoms |
| Agarose | Hispanagar, Burgos, Spain | N/A | Construction of tumor-simulating inclusions |
| Tris | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | T1503 | |
| Hcl | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | 258148 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | S9888 | |
| NaH3 | Merck, Darmstadt, Germany | 822335 | CAUTION: severe poison. The toxicity of this compound is comparable to that of soluble alkali cyanides and the lethal dose for an adult human is about 0.7 grams. |
| Examples of NIRF imaging devices for intraoperative application: | |||
| T2 NIRF imaging platform | SurgVision BV, Heerenveen, The Netherlands | N/A | Customized NIRF imaging system used in the current study. More details available at www.surgvision.com |
| Photodynamic Eye | Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH, Herrsching am Ammersee, Germany | PC6100 | www.iht-ltd.com |
| FLARE imaging system kit | The FLARE Foundation Inc, Wayland, MA, USA | N/A | www.theflarefoundation.org |
| Fluobeam | Fluoptics, Grenoble, France | N/A | www.fluoptics.com |
| Artemis handheld camera | Quest Medical Imaging BV, Middenmeer, the Netherlands | N/A | www.quest-mi.com |
| Examples of NIRF fluorescent dyes for intraoperative application: | |||
| Indocyanine green | ICG-PULSION, Feldkirchen, Germany | PICG0025DE | Clinical grade fluorescent dye for NIRF imaging used in the current study. More details available at www.pulsion.com |
| IRDye 800CW NHS Ester | LI-COR Biosciences, Lincoln, NE, USA | 929-70021 | www.licor.com |
Referencias
- Bellon, J. R., et al. ACR Appropriateness Criteria® Conservative Surgery and Radiation – Stage I and II Breast Carcinoma. The Breast Journal. 17 (5), 448-455 (2011).
- Kaufmann, M., Morrow, M., Von Minckwitz, G., Harris, J. R. The Biedenkopf Expert Panel Members. Locoregional treatment of primary breast cancer. Cancer. 116, 1184-1191 (2010).
- Pleijhuis, R. G., et al. Obtaining adequate surgical margins in breast-conserving therapy for patients with early-stage breast cancer: current modalities and future directions. The Annals of Surgical Oncology. 16, 2717-2730 (2009).
- Singletary, S. E. Surgical margins in patients with early-stage breast cancer treated with breast conservation therapy. American Journal of Surgery. 184 (5), 383-393 (2002).
- Jacobs, L. Positive margins: the challenge continues for breast surgeons. Annals of Surgical Oncology. 15 (5), 1271-1272 (2008).
- Krekel, N., et al. Excessive resections in breast-conserving surgery a retrospective multicentre study. The Breast Journal. 17 (6), 602-609 (2011).
- Wood, W. C. Close/positive margins after breast-conserving therapy: additional resection or no resection?. Breast. 22, 115-117 (2013).
- Van Dam, G. M., et al. Intraoperative tumor-specific fluorescence imaging in ovarian cancer by folate receptor-α targeting: first in-human results. Nature Medicine. 17 (10), 1315-1319 (2011).
- Pleijhuis, R. G., et al. Near-infrared fluorescence (NIRF) imaging in breast-conserving surgery: assessing intraoperative techniques in tissue-simulating breast phantoms. European Journal of Surgical Oncology. 37 (1), 32-39 (2011).
- Baeten, J., Niedre, M., Dunham, J., Ntziachristos, V. Development of fluorescent materials for Diffuse Fluorescence Tomography standards and phantoms. Optics Express. 15 (14), 8681-8694 (2007).
- Luker, G. D., Luker, K. E. Optical imaging: current applications and future directions. Journal of Nuclear Medicine. 49 (1), 1-4 (2007).
- Keereweer, S., et al. Optical image-guided surgery – Where do we stand?. Molecular Imaging Biology. 13 (2), 199-207 (2011).
- Themelis, G., Yoo, J. S., Soh, K. S., Shulz, R., Ntziachristos, V. Real-time intraoperative fluorescence imaging system using light-absorption correction. Journal of Biomedical Optics. 14 (6), 064012 (2009).
- Themelis, G., et al. Enhancing surgical vision by using real-time imaging of αvβ3-integrin targeted near-infrared fluorescent agent. Annals of Surgical Oncology. 18 (12), 3506-3513 (2011).
- De Grand, A. M., et al. Tissue-like phantoms for near-infrared fluorescence imaging system assessment and the training of surgeons. Journal of Biomedical Optics. 11 (1), 014007 (2006).
- Intes, X. Time-domain optical mammography SoftScan: initial results. Academic Radiology. 12 (10), 934-947 (2005).
- Kirsch, D. G., et al. A spatially and temporally restricted mouse model of soft tissue sarcoma. Nature Medicine. 13 (8), 992-997 (2007).
- Tafreshi, N. K., et al. Noninvasive detection of breast cancer lymph node metastasis using carbonic anhydrases IX and XII targeted imaging probes. Clinical Cancer Research. 18 (1), 207-219 (2012).
- Nguyen, Q. T., Tsien, R. Y. Fluorescence-guided surgery with live molecular navigation – a new cutting edge. Nature Reviews Cancer. 13 (9), 653-662 (2013).
- Orosco, R. K., Tsien, R. Y., Nguyen, Q. T. Fluorescence imaging in surgery. IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 178-187 (2013).
