Tissue-моделирования Фантомы для оценки потенциального ближней инфракрасной флуоресценции визуализации приложений в хирургии рака молочной железы
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
Неточности в интраоперационной локализации и оценки хирургического результате статус маржа в неоптимальной исход с сохранением молочной железы хирургии (BCS) опухоли. Оптический изображений, в частности в ближней инфракрасной флуоресценции (NIRF) изображений, может уменьшить частоту положительного хирургического края следующую БКС, предоставляя хирургу инструмент для предварительного и интраоперационного локализации опухоли в режиме реального времени. В текущем исследовании, потенциал NIRF-управляемой БКС оценивается с помощью ткани-моделирования груди фантомы по соображениям стандартизации и учебных целей.
Грудь фантомы с оптическими характеристиками, сравнимыми с теми, нормальной ткани молочной железы, были использованы для имитации груди сохранения хирургии. Опухоль-моделирования включений, содержащие флуоресцентный краситель индоцианина зеленого (ICG) были включены в призраков в предопределенных местах и отображаемого для предварительного и интраоперационная локализация опухоли, в режиме реального времени NIRF наведением резекция опухоли, NIRF наведениемоценка от степени хирургии, и послеоперационная оценка хирургического края. Настроены NIRF камеры был использован в качестве клинического прототипа для целей отображения.
Грудь фантомы, содержащие опухолевые-моделирования включений предлагают простой, недорогой, и универсальный инструмент для моделирования и оценки интраоперационной визуализации опухоли. В желатиновых фантомы имеют упругие свойства, аналогичные ткани человека, и могут быть сокращены с использованием обычных хирургических инструментов. Кроме того, фантомы содержат гемоглобин и Интралипид для имитации поглощение и рассеяние фотонов, соответственно, создания единых оптические свойства, аналогичные ткани молочной железы человека. Основным недостатком изображений NIRF является ограниченная глубина проникновения фотонов при распространении через ткани, что затрудняет (неинвазивный) визуализации глубинных опухолей со стратегиями эпи-освещения.
Introduction
С сохранением молочной железы хирургия (BCS) с последующей лучевой терапией является стандартом лечения для больных раком молочной железы с Т 1 -T 2 карциномы молочной железы 1,2. Неточности в интраоперационной оценки степени результате операции в положительного хирургического края в 20 до 40% пациентов, перенесших БКС, требуя дополнительного хирургического вмешательства или лучевой терапии 3,4,5. Хотя обширная резекция прилегающей здоровой ткани молочной могут уменьшить частоту положительного хирургического края, это также будет препятствовать косметический результат и увеличить коморбидности 6,7. Новые методы Поэтому требуются обеспечить интраоперационной обратную связь на месте первичной опухоли и степени хирургии. Оптический изображений, в частности в ближней инфракрасной флуоресценции (NIRF) изображений, может уменьшить частоту положительного хирургического края следующих БКС, предоставляя хирургу инструмент для предварительного и интраоперационного локализации опухоли в гEAL времени. В последнее время наша группа сообщила о первом в-человеческие суда над опухолью целевой флуоресцентных изображений в больных раком яичников, показывая возможности этой техники для обнаружения первичных опухолей и метастазов интраперитонеальные с высокой чувствительностью 8. Прежде чем приступить к клинических исследований у пациентов с раком молочной железы, однако, возможность различных NIRF приложений обработки изображений опухолевых-мишенью в БКС может уже быть оценены доклинического использованием фантомов.
Следующий протокол исследования описывает использование изображений NIRF в ткани-моделирования груди фантомов, содержащих флуоресцентные опухолевых-моделирования включений 9. Призраки обеспечить недорогой и универсальный инструмент для моделирования до и интраоперационная локализация опухоли, в режиме реального времени NIRF наведением резекция опухоли, оценку состоянии хирургического края, и обнаружение остаточного заболевания. В желатиновых фантомы имеют упругие свойства, аналогичные ткани человека, и могут быть сокращены с использованием обычного Surgical инструменты. В моделируемой хирургической процедуры, хирург ориентируется на тактильной информации (в случае пальпируемых включений) и визуального осмотра на операционном поле. Кроме того, изображения NIRF применяется, чтобы обеспечить хирургу в режиме реального времени интраоперационной обратной связи о масштабах операции.
Следует подчеркнуть, что изображения NIRF требуется использование флуоресцентных красителей. В идеале, флуоресцентные красители должны быть использованы, что испускают фотоны в ближней инфракрасной области спектра (650 – 900 нм), чтобы свести к минимуму поглощение и рассеяние фотонов молекул физиологически обильными в тканях (например, гемоглобин, липиды, эластин, коллаген, и вода) 10,11. Кроме того, аутофлюоресценция (т.е. собственная флуоресценция активность в тканях за счет биохимических реакций в живых клетках) сводится к минимуму в ближней инфракрасной области спектра, в результате чего оптимальных соотношениях опухоли до-фоне 11. По конъюгации NIRF красители для опухоли-щитомTed фрагменты (например, моноклональные антитела), направленной доставки флуоресцентных красителей могут быть получены для применения интраоперационной визуализации.
Как человеческий глаз нечувствителен к свету в ближней инфракрасной области спектра, высокочувствительным камеры требуется устройство для работы с изображениями NIRF. Несколько системы визуализации NIRF для интраоперационной использования были разработаны до сих пор 12. В текущем исследовании, мы использовали обычай строить систему формирования изображения NIRF, который был разработан для интраоперационной применения в сотрудничестве с Техническим университетом Мюнхена. Система позволяет одновременно приобретение цветных изображений и флуоресценции изображений. Для повышения точности флуоресценции изображений, схема коррекции реализуется для изменения интенсивности света в ткани. Подробное описание обеспечивается Themelis соавт. 13
Protocol
Representative Results
Discussion
Мы моделировали возможные клинического применения NIRF-управляемых БКС с помощью грудных в форме фантомов с интегрированными опухолевых-моделирования включений. Интраоперационная локализация опухоли, NIRF наведением резекция опухоли, оценка от степени хирургии, и послеоперационная оц?…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
