Terahertz Imaging og karakterisering protokol for frisk udskilles brystkræft tumorer
Summary
Frisk punkterede menneskelige brystkræft tumorer er karakteriseret med terahertz spektroskopi og billeddannelse efter frisk væv håndtering protokoller. Væv positionering er taget i betragtning for at muliggøre en effektiv karakterisering og samtidig give analyse i tide til fremtidige intraoperative applikationer.
Abstract
Dette manuskript præsenterer en protokol til at håndtere, karakterisere, og billede frisk punkterede menneskelige bryst tumorer ved hjælp af pulserende terahertz billeddannelse og spektroskopi teknikker. Protokollen omfatter terahertz-transmissionstilstand ved normal incidens- og terahertz-refleksionstilstand i en skrå vinkel på 30°. De indsamlede eksperimentelle data repræsenterer tid domæne pulser af det elektriske felt. Det elektriske feltsignal terahertz, der sendes gennem et fast punkt på det udsondrede væv, behandles ved hjælp af en analysemodel for at udtrække det brydningsindeks og absorptionskoefficienten for vævet. Ved hjælp af en stepper motor scanner, den terahertz udsendte puls afspejles fra hver pixel på tumoren giver en planar billede af forskellige væv regioner. Billedet kan præsenteres i tid eller frekvens domæne. Desuden er de udtrukne data fra brydningsindekset og absorptionskoefficienten ved hver pixel udnyttet til at give et tomografisk terahertz billede af tumoren. Protokollen viser en klar differentiering mellem kræft og sundt væv. På den anden side, ikke overholder protokollen kan resultere i støjende eller unøjagtige billeder på grund af tilstedeværelsen af luftbobler og væske forbliver på tumoroverfladen. Protokollen giver en metode til kirurgisk margener vurdering af bryst tumorer.
Introduction
Terahertz (THz) billeddannelse og spektroskopi har været et hastigt voksende forskningsområde i det seneste årti. Den fortsatte udvikling af mere effektive og konsekvente THz-udledere inden for intervallet 0,1-4 THz har fået deres applikationer til at vokse betydeligt1. Et område, hvor THz har vist lovende og betydelig vækst er det biomedicinske felt2. THz stråling har vist sig at være nonionizing og biologisk sikker på de effektniveauer, der generelt anvendes til at analysere fast væv3. Som et resultat, THz billeddannelse og spektroskopi er blevet brugt til at klassificere og differentiere forskellige væv funktioner såsom vandindhold til at angive brænde skader og healing4, skrumpelever5, og kræft i punkterede væv6,7. Kræft vurdering især dækker en bred vifte af potentielle kliniske og kirurgiske anvendelser, og er blevet undersøgt for kræft i hjernen8, leveren 9, æggestokkene10, mave-tarmkanalen11, og bryst7,12,13,14,15,16,17,18,19.13
THz ansøgninger om brystkræft er primært fokuseret på at støtte bryst bevare kirurgi, eller lumpectomy, via margin vurdering. Formålet med en lumpectomy er at fjerne tumor og et lille lag af omgivende sundt væv, i modsætning til fuld mastektomi, som fjerner hele brystet. Det punkterede vævs kirurgiske margen vurderes derefter via patologi, når prøven er blevet fastsat i formalin, sektionsopdelt, indlejret i paraffin og monteret i 4 μm-5 μm skiver på mikroskopobjektglas. Denne proces kan være tidskrævende og kræver en sekundær kirurgisk procedure på et senere tidspunkt, hvis en positiv margen er observeret20. De nuværende retningslinjer fra American Society of Radiation Oncology definerer denne positive margen som havende kræftceller, der kommer i kontakt med margenblæk på overfladeniveau21. THz-billeddannelse for hydreret væv med høj absorption er primært begrænset til overfladebilleddannelse med en varierende penetration baseret på vævstype, hvilket er tilstrækkeligt til at opfylde de kirurgiske behov for hurtig marginvurdering. En hurtig analyse af margin betingelser under den kirurgiske indstilling ville i høj grad mindske kirurgiske omkostninger og opfølgning procedure sats. Til dato har THz vist sig effektiv til at skelne mellem kræft og sundt væv i formalin-fast, paraffin-indlejret (FFPE) væv, men yderligere undersøgelse er nødvendig for at give pålidelig påvisning af kræft i frisk udskilles væv7.
Denne protokol beskriver trinene til at udføre THz-billeddannelse og spektroskopi på nyudsondrede humane vævsprøver fra en biobank. THz applikationer bygget på frisk punktafgifter humant brystkræft væv har sjældent været anvendt i offentliggjort forskning7,18,22,23, især af forskningsgrupper ikke integreret med et hospital. Brugen af frisk sondret væv er ligeledes sjældent for andre kræftansøgninger, med de fleste ikke-brystkræft eksempler, der indberettes for tyktarmskræft24,25. En af grundene til dette er, at FFPE væv blokke er langt lettere at få adgang til og håndtere end frisk punkteret væv, medmindre THz-systemet, der anvendes til undersøgelsen er en del af den kirurgiske arbejdsgang. Tilsvarende er de fleste kommercielle laboratorie-THz-systemer ikke parate til at håndtere fersk væv, og dem, der gør, er stadig i færd med at bruge cellelinjevækst eller er først begyndt at se på udsondet væv fra dyremodeller. For at anvende THz på en intraoperativ indstilling kræver, at billeddannelse og karakterisering trin udvikles for frisk væv på forhånd, således at analysen ikke forstyrrer evnen til at udføre standard patologi. For applikationer, der ikke i sig selv er beregnet til at være intraoperativ, karakterisering af frisk væv er stadig et udfordrende skridt, der skal rettes til at arbejde hen imod in vivo applikationer og differentiering.
Formålet med dette arbejde er at give en retningslinje for THz-anvendelse for frisksonderet væv ved hjælp af et kommercielt THz-system. Protokollen blev udviklet på en THz billeddannelse og spektroskopi system26 for murine brystkræft tumorer13,17,19 og blev udvidet til humant kirurgisk væv fremstillet af biobanks7,18. Mens protokollen blev genereret for brystkræft, de samme begreber kan anvendes til lignende THz billeddannelse systemer og andre typer af solid-tumor kræft, der behandles med kirurgi, hvor succes afhænger af margin vurdering27. På grund af en forholdsvis lille mængde af offentliggjorte THz resultater på frisk punktafgifter væv, dette er det første arbejde til forfatternes viden til at fokusere på protokollen for frisk væv håndtering for THz billeddannelse og karakterisering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Effektiv THz-refleksionsbilleddannelse af friskvæv afhænger primært af to kritiske aspekter: 1) korrekt overvejelse af vævshåndtering (punkt 2 og 4.15); og 2) faseopsætningen (primært afsnit 4.11). Utilstrækkelig tørring af vævet kan resultere i øget refleksion og manglende evne til at visualisere regioner på grund af høje refleksioner af DMEM og andre væsker. I mellemtiden skaber dårlig vævskontakt med billeddannende vindue ringe eller pletter med lav refleksion i THz refleksionsbilledet, der tilslører …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev finansieret af National Institutes of Health (NIH) Award # R15CA208798 og delvist af National Science Foundation (NSF) Award # 1408007. Finansiering af det pulserende THz-system blev opnået gennem NSF/MRI Award # 1228958. Vi anerkender brugen af væv indkøbt af National Disease Research Interchange (NDRI) med støtte fra NIH tilskud U42OD11158. Vi anerkender også samarbejdet med Oklahoma Animal Disease Diagnostic Laboratory på Oklahoma State University for at gennemføre histopatologisk procedure på alle de væv, der håndteres i dette arbejde.
Materials
| 70% isopropyl alcohol | VWR | 89108-162 | Contains 70% USP grade isopropanol and 30% USP grade deionized water |
| Alconox powder detergent | VWR | 21835-032 | Concentrated detergent to remove organic contaminants from glass, metal, stainless steel, porcelain, ceramic, plastic, rubber, and fiberglass |
| Bio Hazard Bags | Fisher Scientific | 19-033-712 | Justrite FM-Approved Biohazard Waste Container Replacement Bags |
| Cardboard holder | N/A | N/A | Scrap cardboard to keep tissue imaging face intact when immersed in formalin |
| Centrifuge Tubes | VWR | 10026-078 | Centrifuge Tubes with Flat Caps, Conical-Bottom, Polypropylene, Sterile, Standard Line |
| Cotton Swabs | Walmart | 551398298 | Q-tips Original Cotton Swabs used to dye the tissue |
| Ethyl Alcohol | VWR | 71002-426 | KOPTECH Pure (undenatured) anhydrous (200 proof/100%) ethyl alcohol |
| Eye protection goggles | VWR | 89130-918 | Kimberly-clark professional safety glasses |
| Face Mask | VWR | 95041-774 | DUKAL Corporation surgical masks |
| Filter paper | Sigma Aldrich | Z240087 | Whatman grade 1 cellulose filters |
| Formalin solution | Sigma Aldrich | HT501128-4L | 10% neutral buffered formalin |
| Human freshly excised tumors (Infilterating Ductal Carcinoma (IDC)) | National Disease Research Interchange (NDRI biobank | N/A | A protocol is signed with the NDRI for the type of tumors required |
| IRADECON Bleach solution | VWR | 89234-816 | Pre-diluted Sodium Hypochlorite Bleach solution |
| KIMTECH SCIENCE wipes | VWR | 21905-026 | Kimberly-clark professional Kim wipes |
| Laboratory Coat | VWR | 10141-342 | This catalog number is for medium size coat |
| Laboratory tweezers/Forceps | VWR | 82027-388 | Any laboratory tweezers can be used as long as it does not damage the tissue |
| Liquid sample holder (two quartz windows with a 0.1 mm teflon spacer) | TeraView, Ltd | N/A | 1" diameter, and 0.1452" thick quartz windows |
| Nitrile hand gloves | VWR | 82026-426 | This catalog number is for medium size gloves |
| Nitrogen cylinder | Airgas | NI UHP300 | NITROGEN UHP GR 5.0 SIZE 300 |
| Paper towel | VWR | 14222-321 | 11 x 8.78" Sheets, 1 Ply |
| Parafilm | VWR | 52858-076 | Flexible thermoplastic. Rolled, waterproof sheet interwound with paper to prevent self-adhesion. |
| Petri Dish | VWR | 470210-568 | VWR Petri Dish, Slippable, Mono Plate (undivided bottom) |
| Polystyrene Plate | Home Depot | 1S11143A | ~ 10 x 10 cm square piece cut from a 11" x 14" x 0.05" Non-glare styrene sheet |
| ScanAcquire Software | TeraView, Ltd | N/A | System Software for THz reflection imaging measurements |
| Stainless steel low-profile blade (#4689) | VWR | 25608-964 | Tissue-Tek Accu-Edge Disposable Microtome Blades |
| Stainless steel metal tray | Quick Medical | 10F | Polar Ware Stainless Steel Medical Instrument Trays |
| Tissue Marking Dyes | Ted Pella, Inc | Yellow Dye #27213-1 Red Dye #27213-2 Blue Dye #27213-4 |
Used to orient excised tissue samples sent to the histopathology laboratory |
| TPS Spectra 3000 | TeraView, Ltd | N/A | THz imaging and spectroscopy system |
| TPS Spectra Software | TeraView, Ltd | N/A | System Software for THz transmission spectroscopy measurements |
Riferimenti
- Burford, N. M., El-Shenawee, M. O. Review of terahertz photoconductive antenna technology. Optical Engineering. 56 (1), 010901 (2017).
- Sun, Q., et al. Recent advances in terahertz technology for biomedical applications. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 7 (3), 345-355 (2017).
- Wilmink, G. J., et al. In vitro investigation of the biological effects associated with human dermal fibroblasts exposed to 2.52 THz radiation. Lasers in Surgery and Medicine. 43 (2), 152-163 (2011).
- Arbab, M. H., et al. Terahertz spectroscopy for the assessment of burn injuries in vivo. Journal of Biomedical Optics. 18 (7), 077004 (2013).
- Sy, S., et al. Terahertz spectroscopy of liver cirrhosis: investigating the origin of contrast. Physics in Medicine and Biology. 55 (24), 7587-7596 (2010).
- Yu, C., Fan, S., Sun, Y., Pickwell-Macpherson, E. The potential of terahertz imaging for cancer diagnosis: A review of investigations to date. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 2 (1), 33-45 (2012).
- El-Shenawee, M., Vohra, N., Bowman, T., Bailey, K. Cancer detection in excised breast tumors using terahertz imaging and spectroscopy. Biomedical Spectroscopy and Imaging. 8 (1-2), 1-9 (2019).
- Yamaguchi, S., et al. Brain tumor imaging of rat fresh tissue using terahertz spectroscopy. Scientific Reports. 6 (30124), 1-6 (2016).
- Rong, L., et al. Terahertz in-line digital holography of human hepatocellular carcinoma tissue. Scientific Reports. 5 (8445), 1-6 (2015).
- Park, J. Y., Choi, H. J., Nam, G., Cho, K., Son, J. In Vivo Dual-Modality Terahertz / Magnetic Resonance Imaging Using Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles as a Dual Contrast Agent. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2 (1), 93-98 (2012).
- Ji, Y. B., et al. Feasibility of terahertz reflectometry for discrimination of human early gastric cancers. Biomedical Optics Express. 6 (4), 1413-1421 (2015).
- Bowman, T., et al. A Phantom Study of Terahertz Spectroscopy and Imaging of Micro- and Nano-diamonds and Nano-onions as Contrast Agents for Breast Cancer. Biomedical Physics and Engineering Express. 3 (5), 055001 (2017).
- Chavez, T., Bowman, T., Wu, J., Bailey, K., El-Shenawee, M. Assessment of Terahertz Imaging for Excised Breast Cancer Tumors with Image Morphing. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 39 (12), 1283-1302 (2018).
- Bowman, T. C., El-Shenawee, M., Campbell, L. K. Terahertz Imaging of Excised Breast Tumor Tissue on Paraffin Sections. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 63 (5), 2088-2097 (2015).
- Bowman, T., El-Shenawee, M., Campbell, L. K. Terahertz transmission vs reflection imaging and model-based characterization for excised breast carcinomas. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3756-3783 (2016).
- Bowman, T., Wu, Y., Gauch, J., Campbell, L. K., El-Shenawee, M. Terahertz Imaging of Three-Dimensional Dehydrated Breast Cancer Tumors. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 38 (6), 766-786 (2017).
- Bowman, T., et al. Pulsed terahertz imaging of breast cancer in freshly excised murine tumors. Journal of Biomedical Optics. 23 (2), 026004 (2018).
- Bowman, T., Vohra, N., Bailey, K., El-Shenawee, M. Terahertz tomographic imaging of freshly excised human breast tissues. Journal of Medical Imaging. 6 (2), 023501 (2019).
- Vohra, N., et al. Pulsed Terahertz Reflection Imaging of Tumors in a Spontaneous Model of Breast Cancer. Biomedical Physics and Engineering Express. 4 (6), 065025 (2018).
- Jacobs, L. Positive margins: the challenge continues for breast surgeons. Annals of Surgical Oncology. 15 (5), 1271-1272 (2008).
- Moran, M. S., et al. Society of Surgical Oncology–American Society for Radiation Oncology Consensus Guideline on Margins for Breast-Conserving Surgery With Whole-Breast Irradiation in Stages I and II Invasive Breast Cancer. International Journal of Radiation Oncology. 88 (3), 553-564 (2014).
- Fitzgerald, A. J., et al. Terahertz Pulsed Imaging of human breast tumors. Radiology. 239 (2), 533-540 (2006).
- Ashworth, P. C., et al. Terahertz pulsed spectroscopy of freshly excised human breast cancer. Optics Express. 17 (15), 12444-12454 (2009).
- Doradla, P., Alavi, K., Joseph, C., Giles, R. Detection of colon cancer by continuous-wave terahertz polarization imaging technique. Journal of Biomedical Optics. 18 (9), 090504 (2013).
- Reid, C. B., et al. Terahertz pulsed imaging of freshly excised human colonic tissues. Physics in Medicine and Biology. 56 (1), 4333-4353 (2011).
- . Teraview.com Available from: https://teraview.com (2019)
- Orosco, R. K., et al. Positive Surgical Margins in the 10 Most Common Solid Cancers. Scientific Reports. 8 (1), 1-9 (2018).
- Bowman, T., et al. Statistical signal processing for quantitative assessment of pulsed terahertz imaging of human breast tumors. 2017 42nd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). , 1-2 (2017).
- Gavdush, A. A., et al. Terahertz spectroscopy of gelatin-embedded human brain gliomas of different grades: a road toward intraoperative THz diagnosis. Journal of Biomedical Optics. 24 (2), 027001 (2019).
