Positron उत्सर्जन टोमोग्राफी-आधारित खुराक पेंटिंग विकिरण थेरेपी एक ग्लियोब्लास्टोमा चूहा मॉडल में छोटे पशु विकिरण अनुसंधान मंच का उपयोग कर
Summary
यहां हम सटीकता और दक्षता को अनुकूलित करने के लिए इन-हाउस विकसित एल्गोरिदम का उपयोग करके चूहे ग्लियोब्लास्टोमा मॉडल में प्रीक्लिनिकल पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन टोमोग्राफी-आधारित रेडियोथेरेपी करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं।
Abstract
क्लिनिक में मानव ग्लियोब्लास्टोमा के कीमो-विकिरण उपचार की नकल करने के लिए एक चूहा ग्लियोब्लास्टोमा मॉडल पहले स्थापित किया गया था। नैदानिक उपचार के समान, उपचार-योजना प्रक्रिया के दौरान गणना टोमोग्राफी (सीटी) और चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) को जोड़ा गया था। पॉज़िट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी (पीईटी) इमेजिंग को बाद में एक माइक्रो-विकिरण प्रणाली का उपयोग करके उप-वॉल्यूम बूस्टिंग को लागू करने के लिए जोड़ा गया था। हालांकि, माइक्रो-विकिरण प्रणाली का उपयोग करके तीन इमेजिंग तौर-तरीकों (सीटी, एमआरआई और पीईटी) का संयोजन श्रम-गहन साबित हुआ क्योंकि मल्टीमॉडल इमेजिंग, उपचार योजना और खुराक वितरण को प्रीक्लिनिकल सेटिंग में क्रमिक रूप से पूरा किया जाना है। यह भी एक वर्कफ़्लो में परिणाम है जो मानव त्रुटि के लिए अधिक प्रवण है। इसलिए, प्रीक्लिनिकल मल्टीमॉडल इमेजिंग-आधारित विकिरण उपचार योजना को और अनुकूलित करने के लिए एक उपयोगकर्ता के अनुकूल एल्गोरिथ्म लागू किया गया था। इस सॉफ्टवेयर उपकरण का उपयोग सिलिको अध्ययन डिजाइन में उपयोग करके सूक्ष्म विकिरण के साथ खुराक पेंटिंग विकिरण चिकित्सा की सटीकता और दक्षता का मूल्यांकन करने के लिए किया गया था। खुराक पेंटिंग विकिरण चिकित्सा के लिए नई पद्धति सटीकता, समय दक्षता, और इंट्रा- और अंतर-उपयोगकर्ता परिवर्तनशीलता के मामले में पहले से वर्णित विधि से बेहतर है। यह माइक्रो-इरेडिएटर्स पर व्युत्क्रम उपचार योजना के कार्यान्वयन की दिशा में भी एक महत्वपूर्ण कदम है, जहां नैदानिक प्रणालियों के विपरीत, आगे की योजना अभी भी आमतौर पर उपयोग की जाती है।
Introduction
ग्लियोब्लास्टोमा (जीबी) एक घातक और बहुत आक्रामक प्राथमिक मस्तिष्क ट्यूमर है। जीबी एक ठोस विषम ट्यूमर है जो आमतौर पर घुसपैठ की सीमाओं, परमाणु एटिपिया और नेक्रोसिस 1 की विशेषता है। रक्त-मस्तिष्क-बाधा की उपस्थिति और एक प्रतिरक्षा-विशेषाधिकार प्राप्त साइट के रूप में मस्तिष्क की स्थिति केमो- और इम्यूनोथेरेपी के लिए उपन्यास लक्ष्यों की खोज को एक चुनौतीपूर्ण कार्य 2,3,4 बनाती है। यह उल्लेखनीय है कि जीबी रोगियों का उपचार मुश्किल से 2005 में, स्टुप प्रोटोकॉल के परिचय के बाद से बदल गया है, जो सहवर्ती टेमोज़ोलोमाइड के साथ बाहरी बीम विकिरण चिकित्सा (आरटी) को जोड़ता है, आमतौर पर सहायक टेमोज़ोलोमाइड 5 के बाद। आमतौर पर, Stupp प्रोटोकॉल अधिकतम सर्जिकल लकीर से पहले है। इसलिए, वैकल्पिक उपचार दृष्टिकोण निर्णायक महत्व के हैं।
ग्लियोब्लास्टोमा रोगियों के लिए वर्तमान विकिरण चिकित्सा परिभाषित ट्यूमर की मात्रा के लिए एक समान विकिरण खुराक प्रदान करती है। विकिरण ऑन्कोलॉजी में, बढ़ती खुराक के साथ ग्लियोब्लास्टोमा के लिए एक महत्वपूर्ण खुराक-प्रतिक्रिया सहसंबंध है, जो सामान्य मस्तिष्क 6,7 के लिए बढ़ी हुई विषाक्तता के कारण लगभग 60 Gy के आसपास कैप करने लगता है। हालांकि, ट्यूमर बहुत (रेडियोबायोलॉजिकल रूप से) विषम हो सकते हैं, ऑक्सीजन स्तर के ग्रेडिएंट और / या सेलुलर घनत्व में बड़े अंतर के साथ। मेटाबोलिक इमेजिंग तकनीक, जैसे पीईटी, इन जैविक विशेषताओं की कल्पना कर सकती है और खुराक के पर्चे को अनुकूलित करने के लिए उपयोग की जा सकती है। इस दृष्टिकोण को खुराक पेंटिंग आरटी के रूप में जाना जाता है। इस शब्द को 2000 में लिंग एट अल द्वारा पेश किया गया था। लेखकों ने खुराक पेंटिंग आरटी को “विकिरण प्रसार और तितर-बितर की बाधाओं के भीतर उत्कृष्ट रूप से अनुरूप खुराक वितरण” के उत्पादन के रूप में परिभाषित किया है।
दो प्रकार की खुराक पेंटिंग आरटी, समोच्च (DPBC) द्वारा खुराक पेंटिंग हैं, जिसके द्वारा नेस्टेड उप-वॉल्यूम के एक सेट के लिए एक खुराक निर्धारित की जाती है, और संख्याओं (DPBN) द्वारा खुराक पेंटिंग, जिससे वोक्सेल स्तर पर एक खुराक निर्धारित की जाती है। DPBN आरटी के लिए खुराक वितरण कार्यात्मक छवियों से निकाला जा सकता है। प्रत्येक voxel में खुराक छवि में इसी voxel की तीव्रता I द्वारा निर्धारित किया जाता है, एक कम और ऊपरी सीमा के साथ, यह सुनिश्चित करने के लिए कि, एक तरफ, ट्यूमर के हर हिस्से में पर्याप्त खुराक वितरित की जाती है। दूसरी ओर, खुराक जोखिम में अंगों की रक्षा करने और विषाक्तता से बचने के लिए एक ऊपरी सीमा से अधिक नहीं होती है। सबसे सरल विधि न्यूनतम खुराक Dmin और अधिकतम खुराक Dmax के बीच एक रैखिक इंटरपोलेशन (Eq. 1 देखें) है, आनुपातिक रूप से न्यूनतम तीव्रता Imax और लक्ष्य मात्रा के भीतर अधिकतम तीव्रता के बीच भिन्न 9,10
Eq. 1
क्योंकि DPBN आरटी की गुणवत्ता आश्वासन के बारे में कुछ संदेह है, खुराक के जमाव को प्रीक्लिनिकल और नैदानिक अनुसंधान 10 के माध्यम से सत्यापित किया जाना चाहिए। हालांकि, नैदानिक परीक्षणों से केवल सीमित डेटा प्राप्त किया जा सकता है, और यह परिकल्पना की गई है कि प्रयोगशाला जानवरों 11,12 को डाउनस्केल करके अधिक अंतर्दृष्टि प्राप्त की जा सकती है। इसलिए, सटीक छवि-निर्देशित विकिरण अनुसंधान प्लेटफार्मों का उपयोग करने वाले प्रीक्लिनिकल अध्ययन जो कुछ बहुत ही विशिष्ट तकनीकों के साथ युग्मन की अनुमति देते हैं, जैसे कि ऑटोरेडियोग्राफी, खुले मुद्दों की जांच करने और व्यक्तिगत चिकित्सा और उपन्यास उपचार रणनीतियों की ओर मार्ग प्रशस्त करने के लिए उपयुक्त हैं, जैसे कि खुराक पेंटिंग RT13,14। हालांकि, प्रीक्लिनिकल डेटा की व्याख्या सावधानी के साथ की जानी चाहिए, और इन प्रीक्लिनिकल सेटअप की कमियों पर विचार किया जाना चाहिए14।
सूक्ष्म विकिरण प्रणालियां, जैसे कि छोटे पशु विकिरण अनुसंधान मंच (SARRP), अपने नैदानिक समकक्ष के समान प्रौद्योगिकियों से सुसज्जित हैं। वे ऑन-बोर्ड शंकु-बीम सीटी (सीबीसीटी) इमेजिंग, एक प्रीक्लिनिकल उपचार-योजना प्रणाली (पीसीटीपीएस) शामिल हैं, और उप-मिलीमीटर परिशुद्धता प्रदान करते हैं। नैदानिक खुराक की गणना व्युत्क्रम उपचार योजना द्वारा की जाती है, जिससे कोई पुनरावर्ती एल्गोरिथ्म के माध्यम से बीम को निर्धारित करने के लिए वांछित खुराक वितरण से शुरू होता है। प्रीक्लिनिकल इरेडिएटर्स अक्सर आगे की योजना का उपयोग करते हैं। आगे की योजना में, बीम की आवश्यक मात्रा और कोण का चयन किया जाता है, और PCTPS तब खुराक वितरण की गणना करता है। योजनाओं का अनुकूलन मैनुअल पुनरावृत्ति द्वारा किया जाता है, जो श्रम-गहन 15 है।
2009 के बाद, उपन्यास विकास ने इन शोध प्लेटफार्मों पर व्युत्क्रम योजना के कार्यान्वयन को संभव बना दिया है16,17,18। नैदानिक विधि के साथ समानता बढ़ाने के लिए, एक motorized चर आयताकार collimator (MVC) बहु पत्ती collimator के एक preclinical समकक्ष के रूप में विकसित किया गया था। एक चर collimator का उपयोग कर एक दो आयामी खुराक पेंटिंग विधि Cho et al.19 द्वारा प्रकाशित किया गया था। इस शोध समूह ने एक माइक्रो-इरेडिएटर पर एक त्रि-आयामी (3 डी) व्युत्क्रम उपचार-योजना प्रोटोकॉल लागू किया और लक्ष्य की मात्रा के लिए न्यूनतम और अधिकतम खुराक और जोखिम वाले अंगों के लिए अधिकतम खुराक निर्धारित की। इन तकनीकों का मूल्यांकन मुख्य रूप से सिलिको में किया गया है, और उनके प्रीक्लिनिकल अनुप्रयोगों का पता लगाने की आवश्यकता है।
यह पेपर [18F]-fluoro-ethyl-L-tyrosine ([18F]FET) के लिए दो तरीकों की तुलना करने के लिए एक सिलिको अध्ययन प्रस्तुत करता है पीईटी-आधारित खुराक पेंटिंग एक जीबी चूहा मॉडल 20,21,22 में एक छोटे से पशु विकिरण अनुसंधान मंच का उपयोग करके। ये दो तरीके हैं (1) पूर्वनिर्धारित बीम आकारों का उपयोग करके उप-मात्रा को बढ़ावा देना और (2) एक मोटरचालित चर कॉलिमेटर का उपयोग करके खुराक पेंटिंग जहां जबड़े के आयामों को ट्यूमर की मात्रा में पीईटी ट्रेसर अपटेक के आधार पर संशोधित किया जाता है। [18F] एफईटी एक पीईटी ट्रेसर है जिसका उपयोग अक्सर न्यूरो-ऑन्कोलॉजी में किया जाता है क्योंकि मस्तिष्क ट्यूमर का पता लगाने की क्षमता 23। [18F] एफईटी एक कृत्रिम अमीनो एसिड है जो ट्यूमरल कोशिकाओं में आंतरिक है लेकिन सेल प्रोटीन में शामिल नहीं है। [18F] एफईटी अपटेक सेल प्रसार दर, ट्यूमर सेल घनत्व और एंजियोजेनेसिस 24 के साथ मेल खाता है। चूंकि यह इन लेखकों के संस्थान में सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला ऑन्कोलॉजिक मस्तिष्क पीईटी ट्रेसर है, इसलिए इस रेडियोट्रेसर को नए वर्कफ़्लो का मूल्यांकन करने के लिए चुना गया था।
Protocol
Representative Results
Discussion
ग्लियोब्लास्टोमा रोगियों के लिए क्लिनिक में कीमो-विकिरण उपचार की नकल करने के लिए एक चूहा जीबी मॉडल पहले 20 वर्णित किया गया था। नैदानिक विधि के समान, सीटी और एमआरआई को अधिक सटीक विकिरण प्राप्त क?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखक इस काम का समर्थन करने के लिए लक्स लुका फाउंडेशन को धन्यवाद देना चाहते हैं।
Materials
| Cell culture | |||
| F98 Glioblastoma Cell Line | ATCC | CRL-2397 | https://www.lgcstandards-atcc.org/products/all/CRL-2397 |
| Dulbeco's Modified Eagle Medium | Thermo Fisher Scientific | 22320-030 | |
| Cell culture flasks | Thermo Fisher Scientific | 178883 | 75 cm² |
| FBS | Thermo Fisher Scientific | 10270106 | |
| L-Glutamine | Thermo Fisher Scientific | 25030-032 | 200 mM |
| Penicilline-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-148 | 10,000 U/mL |
| Phosphate-Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 14040-224 | |
| Trypsin-EDTA | Thermo Fisher Scientific | 25300-062 | 0.05% |
| GB Rat Model | |||
| Ball-shaped burr | Foredom | A-228 | 1.8 mm |
| Bone Wax | Aesculap | 1029754 | https://www.aesculapusa.com/en/healthcare-professionals/or-solutions/or-solutions-cranial-closure/hemostatic-bone-wax.html |
| Ethilon | Ethicon | 662G/662H | FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm |
| Fischer F344/Ico crl Rats | Charles River | – | |
| Insulin Syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29 G |
| IR Lamp | Philips | HP3616/01 | |
| Meloxicam (Metacam) | Boehringer Ingelheim | – | 2 mg/mL |
| Micromotor rotary tool | Foredom | K.1090-22 | |
| Micropump system | Stoelting Co. | 53312 | Stoelting Stereotaxic Injector |
| Stereotactic frame | Stoelting Co. | 51600 | |
| Xylocaine (1%, with adrenaline 1:200,000) | Aspen | – | 1%, with adrenaline 1:200,000 |
| Xylocaine gel (2%) | Aspen | – | 2% |
| Animal Irradiation | |||
| Micro-irradiator | X-Strahl | SARRP | Version 4.2.0 |
| Software | X-Strahl | Muriplan | Preclinical treatment planning system (PCTPC), version 2.2.2 |
| Small Animal PET | |||
| [18F]FET | Inhouse made | – | PET tracer; along with Prohance: MRI/PET agent |
| Micro-PET | Molecubes | Beta-Cube | https://www.molecubes.com/b-cube/ |
| Small Animal MRI | |||
| Micro-MRI | Bruker Biospin | Pharmascan 70/16 | https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan.html |
| 30 G Needle for IV injection | Beckton-Dickinson | 305128 | |
| PE 10 Tubing | Instech Laboratories Inc | BTPE-10 | BTPE-10, polyethylene tubing 0.011 x 0.024 in (0.28 x 60 mm), non sterile, 30 m (98 ft) spool, Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA- (800) 443-4227- http://www.instechlabs.com |
| Prohance contrast agent | Bracco Imaging | – | 279.3 mg/mL, gadolinium-contrast agent (along with [18F]FET: MRI/PET agent) |
| Tx/Rx Rat Brain – Mouse Whole Body Volumecoil | Bruker Biospin | – | 40 mm diameter |
| Water-based Heating Unit | Bruker Biospin | MT0125 | |
| Consumables | |||
| Isoflurane | Zoetis | B506 | Anesthesia |
| Insulin Syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29 G |
| Image Analysis | |||
| MATLAB | Mathworks | – | Version R2019b |
| PMOD | PMOD technologies LLC | Preclinical and molecular imaging software |
References
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