We present a diffuse optical spectroscopic (DOS) approach that provides quantitative optical biomarkers of skin response to radiation. We describe DOS instrumentation design, optical parameters extraction algorithms and the animal handling procedures required to yield representative data from a pre-clinical mouse model of radiation induced erythema.
Acute skin toxicities from ionizing radiation (IR) are a common side effect from therapeutic courses of external beam radiation therapy (RT) and negatively impact patient quality of life and long term survival. Advances in the understanding of the biological pathways associated with normal tissue toxicities have allowed for the development of interventional drugs, however, current response studies are limited by a lack of quantitative metrics for assessing the severity of skin reactions. Here we present a diffuse optical spectroscopic (DOS) approach that provides quantitative optical biomarkers of skin response to radiation. We describe the instrumentation design of the DOS system as well as the inversion algorithm for extracting the optical parameters. Finally, to demonstrate clinical utility, we present representative data from a pre-clinical mouse model of radiation induced erythema and compare the results with a commonly employed visual scoring. The described DOS method offers an objective, high through-put evaluation of skin toxicity via functional response that is translatable to the clinical setting.
Technologische verbeteringen van radiotherapie (RT) en -uitvoering maken nu hoog-conformele therapeutische doses te leveren aan het tumorgebied, terwijl tegelijkertijd spaarde normale omringende structuren. Toch acute en soms ernstige toxiciteiten onvermijdelijk als het doel hoge dosis in de nabijheid van de huid. Indien ernstig genoeg is, kan de daaruit voortvloeiende normale weefselbeschadiging negatieve invloed hebben op de RT resultaat van de behandeling en de levenskwaliteit van de patiënt 1,2.
Ondanks de nadelige gevolgen, huidige management van de straling de huid erythema blijft niet-specifieke, in dienst crèmes of zalven die de onderliggende biologische mechanismen die leiden tot schade te negeren. Deze benaderingen zijn gebaseerd op het minimaliseren van symptomen en niet de oorzaak. Bovendien is de timing en administratie van interventionele behandelingen bemoeilijkt door de kwalitatieve en subjectieve aard van straling huidletsel beoordeling. Terwijl diverse erkendeorganisaties (RTOG, EORTC) bieden visuele beoordeling aanbevelingen, instellingen variëren in de keuze van hun voorkeur te scoren, waardoor vergelijkingen van normaal weefsel toxiciteit voor de toepassing van meta-analyses verduistert. Verder is een dergelijke indeling systemen zijn ruw en gevoelig voor inter-observer variabiliteit, zodanig dat de verschillen in straling letselernst te onderscheiden in studies ter evaluatie van strategieën ter beperking van toxiciteit kunnen zijn.
In plaats visueel beschrijven van de mate van erytheem in bestraalde huid, een alternatieve benadering is om parameters die kwantitatief de onderliggende fysiologische veranderingen die optreden in het orgaan te beschrijven meten. Bloed hemoglobine (Hb), weefsel zuurstofverzadiging (StO 2) of geoxygeneerde hemoglobine (OxyHb) niveaus werden gebruikt als proxies voor bestraling geïnduceerde erythema bij muizen 3-6. Na bestraling, totale Hb niveaus ondergaan schommelingen, maar OxyHb of StO 2 ondergaan een karakteristiek vroeg sterke stijging, gevolgd door eenvallen en nog eens meer aanhoudende stijging van 3,6. Wanneer irriterende stoffen worden gebruikt om de huid erytheem induceren vasculaire OxyHb niveaus direct correleren met de ernst van de lokale erytheem en ontsteking 7.
Diffuse optische spectroscopie (DOS) werken nabij-infrarood licht om functionele informatie over de biochemische en micromechanische componenten van vitale weefsels componenten. Dit kwantitatieve, niet-invasieve optische technologie biedt een methode om de cytokine-geïnduceerde vasodilatatie in bloedvaten die tijdens erythema via functionele surrogaten van Hb en StO 2 meten. Recente studies waarin DOS gemeten parameters met gecontroleerde klinische scoremethoden 8-11 geven het potentieel van deze techniek voor het overwinnen van de beperkingen die inherent zijn aan bestaande indeling systemen.
Hier beschrijven we een in-house, draagbaar, DOS systeem dat functioneel surrogaten toepast voor het kwantitatief detecting verschillen in stralingsgeïnduceerde huid toxiciteit in een preklinisch muismodel 5. De beschreven platform kan een middel van gestandaardiseerde erythema scoren met een hoge gevoeligheid voor de vroegtijdige opsporing en subtiele differentiatie van interventionele drug antwoord te geven. Bovendien, met slechts geringe aanpassingen, de instrumentatie kan uiteindelijk worden klinisch gebruikt voor real-time bewaking bed.
Een DOS benadering voor het kwantitatief beoordelen van straling de huid toxiciteit met behulp van optische biomarkers is gepresenteerd. Visual huid toxiciteit scoring systemen vereisen deskundige training en zelfs dan zijn gevoelig voor inter-observer variabiliteit en subjectiviteit. De DOS-systeem en analyse software is eenvoudig te gebruiken, vereist een minimale training en geeft objectieve functionele parameters voor het interpreteren van fysiologische veranderingen in de huid. Bovendien, in plaats van een beschrijving van het uiterlijk van een huid laesie als een enkele parameter, DOS biedt een schat aan informatie in spectrale vorm, optische eigenschappen en functionele / microstructurele parameters die een toegevoegde mate van gevoeligheid en specificiteit niet beschikbaar in de huidige kwalitatieve scoring methoden bieden. Secties 1 en 7 worden de belangrijkste verwerkingsstappen voor het verkrijgen van absolute spectrale gegevens die kunnen worden gebruikt voor kwantitatieve montage van optische biomarkers. Achtergrond en aftrekken van de basislijn zijn van vitaal belang om de gebruiker uit te voerende DOS-metingen onder normale lichtomstandigheden. Hoofdstuk 8 de nodige modellen en vergelijkingen nodig athymische muizen beschrijven voor en na X-ray bestraling. Hier is de keuze van geschikte absorptiemiddelen is essentieel voor een nauwkeurige beschrijving van de gemeten spectra. Het is aangeraden dat de gebruiker een grondig onderzoek in de literatuur de sleutel absorbers dat het golflengtegebied en weefsel van belang dat in een gegeven onderzoek voorafgaand aan de bouw van een optische biomarker passend model domineren. Tot slot, afdelingen 3-5 beschrijven de behandeling van de muizen zonder thymus tijdens DOS acquisitie. Om te voorkomen dat het verstoren van de lokale vaatstelsel, gebruik zachte kracht om de DOS-sonde te plaatsen op de muis huidoppervlak.
Terwijl relatief goedkoop in vergelijking met hyperspectrale camerasystemen 3,4, een duidelijke beperking van de beschreven DOS benadering is het gebruik van een sonde voor het meten van diffuse reflectie. Deze reflectie geometrie benodigdheden zachte aanraking met de huid enheeft het potentieel om meetonzekerheid voeren door het dispergeren van de vasculatuur als consistente probe-skin druk niet wordt toegepast. Toekomstige ontwerpen van de DOS-probe kan een druksensor te nemen om consistente resultaten te handhaven. Hoewel verder het gebruik van close bron-detector scheiding (<2-3 mm) maakt optische sondering specifieke diepten op het huidoppervlak, de verbeterde specificiteit komt met verlies van ruimtelijk oplossend vermogen in vergelijking met 2D hyperspectrale. Om deze beperking, een 5-punts kwadrant scan die vangt de totale bestraalde volume werd gebruikt te minimaliseren. Ondanks het gebrek aan ruimtelijke resolutie, heeft voorgaand werk in muizen 5 de mogelijkheid getoond van optische biomarkers gemiddeld over een dun gebied niet alleen bestraalde en niet-bestraalde huid, maar ook het effect van de huid sparende interventionele geneesmiddelen zoals Vasculotide 6 differentiëren.
Opgemerkt wordt dat terwijl de algemene systeemontwerp kan worden aangepast voor verschillende huid modellen, kan het nodig zijn de onderliggende basis spectra en verstrooiing vorm worden geoptimaliseerd. In het bijzonder, terwijl oxy- en deoxy-Hb goed beschrijven een athymische muismodel, de toepassing van hetzelfde model op een donkere huid kunnen de toevoeging van melanine voor een optimale montage vereisen. Bovendien, uitbreiding van de bandbreedte DOS hogere golflengten> 950 nm zou de toevoeging van water, die domineert bij hogere golflengten noodzakelijk. Bovendien kunnen dierlijke modellen met verschillende huid dikten een andere bron-detector scheiding nodig om diepte gevoeligheid te optimaliseren. Ten slotte is de haarloze functie maakt algoritmen eenvoudiger. Hoewel niet-haarloze modellen optimaal voor bepaalde onderzoeksvragen kunnen zijn, zullen ze ontharing voor DOS metingen, en irritatie van de huid van dit proces nodig hebben, kunnen de resultaten beïnvloeden. Voor onderzoek waar de totale immuunfunctie is cruciaal, een immunocompetente haarloze muis (bijv SKH-1) kan dienen als een beter model vanwege de euthymische aard.
ent "> Belangrijke overwegingen voor DOS probe metingen zijn consistent RT en de schatting van het bestraalde gebied. Temperatuurschommelingen van invloed kan zijn weefsel Hb en StO 2 niveaus. Het meten van een groep van 3 niet-bestraalde dieren bij elkaar verzamelen van gegevens tijd kan als basis te dienen onbedoelde omgevingschommelingen parameterwaarden kan worden genormaliseerd. Bovendien, het bestraalde gebied moeilijk in te schatten (indien huidflap preparaten waren niet consistent) voordat schade begint te manifesteren visueel rond dag 5 (40 Gy). Als met zwarte permanent marker om puntjes op de grenzen van de straling blootgestelde huid, vermijd overmatig gebruik van inkt aan de inkt vlekken, die lezingen in gevaar kunnen brengen te voorkomen.Een extra kenmerk van het systeem is de mogelijkheid om absorptie te scheiden van verstrooiingseigenschappen. Terwijl alternatieve hyperspectrale beeldvormende systemen bieden ook de mogelijkheid om toezicht te houden OxyHb en Hb concentratie, de vrije ruimte geometrie van hyperspectrale beeldvorming i is niet in staat om verstrooiing veranderingen op te lossen. Deze beperking kan leiden tot onnauwkeurigheden in de geretourneerde OxyHb, Hb en StO 2 parameters als significante veranderingen in verstrooiing optreden als gevolg van erythema (roodheid). Verder kunnen de controle van de verstrooiing veranderingen met behulp van DOS extra optische biomarkers voor erythema evaluatie bieden. Zoals getoond in figuur 6, de eerste resultaten van Yohan et al. (2014) geven aan dat A en k tonen een tijdelijke trend volgend op ioniserende straling die niet correleert met tendensen uit andere alternatieve methoden zoals visuele scoring systemen. Dit geeft aan dat verstrooiing veranderingen niet manifesteren in een visueel beschrijvende wijze en kunnen in feite beschrijft een afzonderlijk biologisch proces. Daarom vergelijking met alternatieve methoden, DOS leverde een hoge resolutie voor oppervlakkige verstrooiing veranderingen, een weg voor het onderzoeken van nieuwe huidbeschadiging biomarkers die los staan van de gebruikelijke Hb-metingen mogelijk.
jove_content "> Hoewel ons model gebruikt een grote interne stralingsdosis (in plaats van meerdere kleine gefractioneerde doses die worden gebruikt in de klinische setting) Dit bootst de pathofysiologie van acute menselijke huid radiotoxiciteit 21. Beoogd wordt dat verdere optimalisering kan DOS bieden een kwantitatieve benadering voor geautomatiseerde en gestandaardiseerde scoren van straling veroorzaakte reacties van de huid. Na het beheersen van deze techniek, toekomstige toepassingen kan omvatten het toezicht op de verschillen tussen de huid sparende therapieën (bijvoorbeeld het vergelijken van OxyHb niveaus tussen controle en experimentele behandeling voor de huid stralingsbescherming, of voor wondgenezing promotie ). Terwijl ideaal voor high-throughput screening van geneesmiddelen in diermodellen, het DOS systeem mogelijk aangepast aan de klinische omgeving vanwege het gemak van bruikbaarheid en het vermogen te meten onder normale lichtomstandigheden. in dit geval kunnen deze probes kleine wijzigingen vereisen met iets grotere optode scheidingen te verantwoordende toegenomen dikte van de huid. Een klinische DOS-systeem in staat zou stellen voor on-line evaluatie van interventionele therapieën die pijnlijke huidreacties kan minimaliseren en de comfort van de patiënt en de naleving. In de toekomst kan het interessant zijn om DOS-gebaseerde kwantificering uit te breiden naar de kenmerken van chronische straling veroorzaakte beschadiging van de huid (bijvoorbeeld fibrose).The authors have nothing to disclose.
This work was supported by research grants awarded to SKL from Abbott CARO (Canadian Association of Radiation Oncologists) Uro-Oncologic Radiation Awards and the Alan E. Tiffin Foundation. EK was supported by the Frederick Banting and Charles Best Canada Graduate Scholarship, the Scace Graduate Fellowship in Prostate Cancer Research and Paul Starita Graduate Student Fellowship.
Nude mice | e.g. Charles River | Athymic nude Crl:NU(NCr)-Foxn1nu, or immunocompetent nude Crl:SKH1-Hrhr | |
Small animal irradiator | e.g. Faxitron X-Ray Corp. | Faxitron CP160 | |
Animal anaesthesia | If using isoflurane vaporizer machine with induction chamber, need tube and nose cone | ||
Lead jig and plexiglass stage | Custom made | If irradiator device exposes whole animal body to radiation, lead shielding must be used to expose only the skin flap | |
Medical tape | |||
Permanent marker/ear puncher | |||
Matlab | Mathworks Inc., Natick, MA | With StatisticsToolbox | |
Labview | National Instruments, Vaudreuil-Dorian, QB | ||
DOS system | |||
Optical multiplexer | Ocean Optics, Dunedin, FL | Model MPM-2000 | |
Spectrometer | Ocean Optics, Dunedin, FL | Model S200 | |
White light source | Ocean Optics, Dunedin, FL | Model LS-1 | |
Intralipid-20% | Kabi Pharmacia, New York, NY | ||
Reflectance standard | INO, Quebec City, QB |