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.
Unøyaktigheter i intraoperativ tumor lokalisering og evaluering av kirurgisk margin status resultat i suboptimal utfallet av brystbevarende kirurgi (BCS). Optisk avbildning, spesielt nær-infrarøde fluorescens (NIRF) avbildning, kan redusere hyppigheten av positive kirurgiske marginer følgende BCS ved å gi kirurgen med et verktøy for pre-og intraoperativ tumor lokalisering i sanntid. I denne studien, er potensialet i NIRF-guidet BCS evalueres med vev-simulere bryst fantomer på grunn av standardisering og opplæringsformål.
Bryst fantomer med optiske egenskaper sammenlignbare med de av normale brystvev ble brukt til å simulere bryst konserverende kirurgi. Tumor-simulere slutninger som inneholder fluorescerende fargestoff indocyanine grønn (ICG) ble innlemmet i fantomene på forhåndsdefinerte steder og avbildes for pre-og intraoperativ tumor lokalisering, real-time NIRF-guidet tumorreseksjon, NIRF-guidedevaluering av omfanget av operasjonen, og postoperativ vurdering av kirurgiske marginer. En tilpasset NIRF kamera ble brukt som en klinisk prototype for bildebehandling formål.
Bryst fantomer som inneholder tumor-simulere slutninger tilbyr en enkel, billig og allsidig verktøy for å simulere og evaluere intraoperativ svulst bildebehandling. Den geléaktige fantomene har elastiske egenskaper som ligner på menneskelig vev og kan kuttes ved hjelp av konvensjonelle kirurgiske instrumenter. Videre fantomene inneholder hemoglobin og Intralipid for å etterligne absorpsjon og spredning av fotoner henholdsvis oppretting ensartede optiske egenskaper som ligner på humant brystvev. Den største ulempen med NIRF bildebehandling er begrenset inntrengningsdybde av fotoner når forplanter seg gjennom vev, som hindrer (invasiv) avbildning av dyptliggende svulster med epi-belysning strategier.
Brystbevarende kirurgi (BCS) etterfulgt av strålebehandling er standard behandling for brystkreftpasienter med T 1 -T à brystkreft 1,2. Unøyaktigheter i intraoperativ vurdering av omfanget av operasjonen resultat i positive kirurgiske marginer i 20 til 40% av pasientene som gjennomgikk BCS, nødvendiggjør ytterligere kirurgisk inngrep eller strålebehandling 3,4,5. Selv om omfattende reseksjon av tilstøtende sunn brystvev kan redusere hyppigheten av positive kirurgiske marginer, vil dette også hemme kosmetisk resultat og øke komorbiditet 6,7. Nye teknikker er derfor nødvendig at gi intraoperativ tilbakemelding på plasseringen av den primære tumor og omfanget av operasjonen. Optisk avbildning, spesielt nær-infrarøde fluorescens (NIRF) avbildning, kan redusere hyppigheten av positive kirurgiske marginer følgende BCS ved å gi kirurgen med et verktøy for pre-og intraoperativ tumor lokalisering i rEAL-tiden. Nylig rapporterte vår gruppe på den første in-human studie av tumor-målrettet fluorescens bildebehandling i eggstokkene kreftpasienter, viser gjennomførbarheten av denne teknikken til å oppdage primære svulster og intraperitoneal metastaser med høy følsomhet åtte. Før du går videre til kliniske studier hos brystkreftpasienter, men muligheten for ulike tumor målrettet NIRF bildebehandlingsprogrammer i BCS kan allerede bli evaluert preklinisk bruker fantomer.
Følgende forskningsprotokoll beskriver bruk av NIRF bildebehandling i vev-simulere bryst fantomer som inneholder fluorescerende tumor-simulere slutninger ni. Fantomene gi en rimelig og allsidig verktøy for å simulere pre-og intraoperativ tumor lokalisering, real-time NIRF-guidet tumorreseksjon, vurdering av kirurgisk margin status, og påvisning av restsykdom. Den geléaktige fantomene har elastiske egenskaper som ligner på menneskelig vev og kan kuttes ved hjelp av konvensjonelle surgical instrumenter. Under simulert kirurgisk prosedyre, blir styrt av kirurgen følbar informasjon (i tilfelle av inneslutninger palpable), og visuell inspeksjon av det operative området. I tillegg er NIRF avbildning anvendt for å gi kirurgen med sanntids tilbakemelding intraoperativ på omfanget av operasjonen.
Det bør understrekes at NIRF bildebehandling krever bruk av fluorescerende fargestoffer. Ideelt sett bør fluorescerende fargestoffer anvendes som emittere fotoner i det nær-infrarøde spektralområdet (650-900 nm) for å minimalisere absorpsjon og spredning av fotoner med molekyler fysiologisk rikelig i vev (for eksempel hemoglobin, lipider, elastin, kollagen, og vann) 10,11. Videre autofluorescens (dvs. den indre fluorescens aktivitet i vev på grunn av biokjemiske reaksjoner i levende celler) blir minimalisert i den nær-infrarøde spektralområdet, noe som resulterer i optimale tumor-til-bakgrunnsforhold 11. Ved å konjugere NIRF fargestoffer til tumor-TARGEted moieties (f.eks monoklonale antistoffer), kan fås målrettet levering av fluorescerende fargestoffer for intraoperativ bildebehandlingsprogrammer.
Som det menneskelige øyet er ufølsomt å lyse i nær-infrarøde spektrale området, er en svært følsom kamera enhet kreves for NIRF bildebehandling. Flere NIRF bildebehandlingssystemer for intraoperativ bruk har blitt utviklet så langt 12. I denne studien brukte vi en egendefinert bygge NIRF bildesystem som ble utviklet for intraoperativ søknad i samarbeid med det tekniske universitetet i München. Systemet gjør det mulig for samtidig kjøp av fargebilder og fluorescens bilder. For å forbedre nøyaktigheten av fluorescens bilder, blir en korreksjon ordning implementert for variasjoner i lysintensiteten i vev. En detaljert beskrivelse er levert av Themelis et al. 13
Vi simulert potensielle kliniske anvendelser av NIRF-guidede BCS gjennom bruk av bryst-formet fantomer med integrerte tumor-simulere slutninger. Intraoperativ tumor lokalisering, NIRF-guidet tumorreseksjon, evaluering av omfanget av operasjonen, og postoperativ vurdering av kirurgiske marginer ble alle funnet mulig ved hjelp av en skredder bygge NIRF kamerasystem. Ikke-invasiv deteksjon av fluorescerende tumor-simulerende inneslutninger var bare mulig for inneslutninger som er plassert i fantom vev i en dybde på 2 cm e…
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by a grant from the Jan Kornelis de Cock foundation.
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 |