Terahertz Imaging and Characterization Protocol for Freshly Excised Breast Cancer Tumors
Summary
Vers uitgesneden menselijke borstkankertumoren worden gekenmerkt door terahertzspectroscopie en beeldvorming volgens protocollen voor de behandeling van vers weefsel. Weefselpositionering wordt in aanmerking genomen om effectieve karakterisering mogelijk te maken en tegelijkertijd tijdig analyses te leveren voor toekomstige intraoperatieve toepassingen.
Abstract
Dit manuscript presenteert een protocol voor het behandelen, karakteriseren en beelden van vers uitgesneden menselijke borsttumoren met behulp van gepulseerde terahertz beeldvorming en spectroscopie technieken. Het protocol omvat terahertz transmissie modus bij normale incidentie en terahertz reflectie modus onder een schuine hoek van 30°. De verzamelde experimentele gegevens vertegenwoordigen tijddomeinpulsen van het elektrische veld. Het terahertz elektrische veldsignaal dat via een vast punt op het uitgesneden weefsel wordt overgebracht, wordt via een analytisch model verwerkt om de brekingsindex en absorptiecoëfficiënt van het weefsel te extraheren. Met behulp van een stepper motor scanner, de terahertz uitgezonden puls wordt weerspiegeld van elke pixel op de tumor die een vlakke afbeelding van verschillende weefselgebieden. De afbeelding kan worden gepresenteerd in tijd of frequentie domein. Bovendien worden de geëxtraheerde gegevens van de brekingsindex en absorptiecoëfficiënt bij elke pixel gebruikt om een tomografisch terahertzbeeld van de tumor te geven. Het protocol toont een duidelijke differentiatie tussen kanker en gezonde weefsels. Aan de andere kant, niet vasthouden aan het protocol kan resulteren in luidruchtige of onnauwkeurige beelden als gevolg van de aanwezigheid van luchtbellen en vloeistof blijft op het tumoroppervlak. Het protocol biedt een methode voor chirurgische marges beoordeling van borsttumoren.
Introduction
Terahertz (THz) beeldvorming en spectroscopie is een snel groeiend gebied van onderzoek in het afgelopen decennium. De voortdurende ontwikkeling van efficiëntere en consistenteTHz-zenders in het bereik van 0,1-4 THz heeft ervoor gezorgd dat hun toepassingen aanzienlijk groeien1. Een gebied waar THz heeft aangetoond belofte en aanzienlijke groei is de biomedische veld2. THz-straling is aangetoond dat nonionizing en biologisch veilig op de vermogensniveaus die over het algemeen worden gebruikt om vaste weefsels te analyseren3. Als gevolg hiervan is THz imaging en spectroscopie gebruikt om verschillende weefselkenmerken te classificeren en te differentiëren, zoals watergehalte om brandschade en genezing aan te geven4, levercirrose5, en kanker in uitgesneden weefsels6,7. Kankerbeoordeling omvat met name een breed scala aan potentiële klinische en chirurgische toepassingen, en is onderzocht ophersenkanker8,lever9, eierstokken10, maag-darmkanaal11en borst7,12,13,14,15,16,17,18,19.
THz toepassingen voor borstkanker zijn voornamelijk gericht op het ondersteunen van borstsparenchirurgie, of lumpectomie, via margebeoordeling. Het doel van een lumpectomie is het verwijderen van de tumor en een kleine laag omringend gezond weefsel, in tegenstelling tot volledige borstamputatie, die de hele borst verwijdert. De chirurgische marge van het uitgesneden weefsel wordt vervolgens beoordeeld via pathologie zodra het monster is vastgesteld in formaline, verdeeld, ingebed in paraffine, en gemonteerd in 4 μm-5 μm plakjes op microscoopdia’s. Dit proces kan tijdrovend zijn en vereist een secundaire chirurgische ingreep op een later tijdstip als een positieve marge wordt waargenomen20. Huidige richtlijnen van de American Society of Radiation Oncology definiëren deze positieve marge als het hebben van kankercellen contact opnemen met het oppervlak-niveau marge inkt21. THz beeldvorming voor hoog-absorptie gehydrateerd weefsel is voornamelijk beperkt tot oppervlakte beeldvorming met een aantal verschillende penetratie op basis van weefsel type, dat is voldoende voor het voldoen aan de chirurgische behoeften van een snelle marge beoordeling. Een snelle analyse van de margevoorwaarden tijdens de chirurgische instelling zou de chirurgische kosten en het beoordelingsproces sterk verlagen. Tot op heden heeft THz bewezen effectief te zijn in het onderscheiden van kanker en gezond weefsel in formaline-vaste, paraffine-ingebedde (FFPE) weefsels, maar aanvullend onderzoek is nodig om betrouwbare detectie van kanker in vers uitgesneden weefsels te bieden7.
Dit protocol beschrijft de stappen voor het uitvoeren van THz-beeldvorming en spectroscopie op vers uitgesneden menselijke weefselmonsters die zijn verkregen bij een biobank. THz-toepassingen gebouwd op vers uitgesneden menselijke borstkanker weefsels zijn zelden gebruikt in gepubliceerd onderzoek7,18,22,23, vooral door onderzoeksgroepen niet geïntegreerd met een ziekenhuis. Het gebruik van vers uitgesneden weefsels is eveneens zeldzaam voor andere kankertoepassingen, met de meeste niet-borstkankervoorbeelden die voor darmkanker24,25worden gemeld. Een van de redenen hiervoor is dat FFPE weefselblokken zijn veel gemakkelijker te bereiken en te hanteren dan vers uitgesneden weefsel, tenzij de THz-systeem wordt gebruikt voor de studie is onderdeel van de chirurgische workflow. Op dezelfde manier zijn de meeste commerciële laboratorium THz-systemen niet bereid om vers weefsel te verwerken, en degenen die dat wel doen, bevinden zich nog in de stadia van het gebruik van cellijngroei of zijn pas begonnen met het bekijken van uitgesneden weefsel van diermodellen. Om THz toe te passen op een intraoperatieve instelling moeten imaging- en karakteriseringsstappen vooraf worden ontwikkeld voor vers weefsel, zodat de analyse de mogelijkheid om standaardpathologie uit te voeren niet verstoort. Voor toepassingen die niet inherent bedoeld zijn om intraoperatief te zijn, is de karakterisering van vers weefsel nog steeds een uitdagende stap die moet worden aangepakt om te werken aan in vivo toepassingen en differentiatie.
Het doel van dit werk is om een richtlijn te bieden voor THz-toepassing voor vers uitgesneden weefsel met behulp van een commercieel THz-systeem. Het protocol werd ontwikkeld op een THz imaging en spectroscopie systeem26 voor murine borstkanker tumoren13,17,19 en werd uitgebreid tot menselijk chirurgisch weefsel verkregen uit biobanken7,18. Terwijl het protocol werd gegenereerd voor borstkanker, dezelfde concepten kunnen worden toegepast op soortgelijke THz imaging systemen en andere vormen van vaste-tumor kankers die worden behandeld met een operatie waar succes hangt af van marge beoordeling27. Door een vrij kleine hoeveelheid gepubliceerde THz-resultaten op vers uitgesneden weefsels, is dit het eerste werk voor de kennis van de auteurs om zich te concentreren op het protocol van vers weefselbehandeling voor THz-beeldvorming en karakterisering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Effectieve THz reflectie beeldvorming van vers weefsel is in de eerste plaats afhankelijk van twee kritische aspecten: 1) de juiste overweging van weefselbehandeling (secties 2 en 4.15); en 2) de stage setup (voornamelijk sectie 4.11). Onvoldoende drogen van het weefsel kan leiden tot een verhoogde reflectie en onvermogen om gebieden te visualiseren als gevolg van hoge reflecties van DMEM en andere vloeistoffen. Ondertussen, slecht weefsel contact met de beeldvorming venster creëert ringen of vlekken van lage reflectie …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gefinancierd door de National Institutes of Health (NIH) Award # R15CA208798 en deels door de National Science Foundation (NSF) Award # 1408007. Financiering voor het gepulseerde THz-systeem werd verkregen via NSF/MRI Award # 1228958. Wij erkennen het gebruik van weefsels verkregen door de National Disease Research Interchange (NDRI) met steun van de NIH subsidie U42OD11158. We erkennen ook de samenwerking met Oklahoma Animal Disease Diagnostic Laboratory aan de Oklahoma State University voor het uitvoeren van de histopathologie procedure op alle weefsels behandeld in dit werk.
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).
