הדמיה של terahertz ליצירת פרוטוקול עבור גידולים בסרטן השד הטריים
Summary
הגידולים הטריים סרטן השד האנושי מאופיינים עם ספקטרוסקופיית קרינת והדמיה בעקבות פרוטוקולים טריים טיפול ברקמה. מיצוב הרקמה נלקח בחשבון כדי לאפשר אפיון יעיל תוך מתן ניתוח בזמן ליישומים בעתיד הפנימי.
Abstract
כתב יד זה מציג פרוטוקול להתמודד, לאפיין, ותמונה של גידולים השד האנושי באמצעות הדמיה קרינת פעמו טכניקות וספקטרוסקופיה. הפרוטוקול כרוך במצב שידור קרינת בשכיחות רגילה ובמצב השתקפות קרינת בזווית אלכסונית של 30 °. הנתונים הניסיוניים שנאספו מייצגים פולסים בתחום הזמן של השדה החשמלי. אות השדה החשמלי קרינת שהועבר דרך נקודה קבועה על הרקמה המעוברת מעובד, דרך מודל אנליטי, כדי לחלץ את השבירה המדד ואת מקדם הקליטה של הרקמה. ניצול סורק מנוע stepper, הדופק הנפלט קרינת משתקף מכל פיקסל על הגידול מתן תמונה מישורי של אזורים רקמה שונים. ניתן להציג את התמונה בזמן או בתחום התדרים. יתר על כן, הנתונים המחולצים של מדד השבירה ומקדם הקליטה בכל פיקסל מנוצלים כדי לספק תמונה של טומוגרפית של הגידול. הפרוטוקול ממחיש הבדלה ברורה בין רקמות סרטני ובריאות. מצד שני, לא הקפדה על הפרוטוקול יכול לגרום לתמונות רועש או לא מדויק עקב נוכחות של בועות אוויר ושרידי נוזלים על פני השטח של הגידול. הפרוטוקול מספק שיטה להערכת שוליים כירורגית של גידולים בשד.
Introduction
Terahertz (THz) הדמיה וספקטרוסקופיה כבר אזור גדל במהירות של מחקר בעשור האחרון. המשך הפיתוח של מקרן THz יעילה ועקבית יותר בטווח של 0.1 – 4 THz גרם ליישומים שלהם לצמוח באופן משמעותי1. אזור אחד שבו THz הראה הבטחה וצמיחה משמעותית הוא שדה ביו2. קרינת thz הוכח להיות יוננים בטוח ביולוגית ברמות הכוח בדרך כלל משמש לניתוח רקמות קבוע3. כתוצאה מכך, thz הדמיה ספקטרוסקופיית שימש לסווג ולהבדיל תכונות רקמה שונות כגון תוכן המים כדי לציין נזק לצרוב וריפוי4, שחמת הכבד5, סרטן ברקמות החפירה6,7. הערכת סרטן במיוחד מכסה מגוון רחב של יישומים קליניים וכירורגי פוטנציאליים, נחקר עבור סרטן של המוח8, כבד9, השחלות10, במערכת העיכול11, שד7,12,13,14,15,16,17,18,19.
יישומים THz עבור סרטן השד מתמקדים בעיקר על תמיכה בשימור ניתוח חזה, או כריתת גוש, באמצעות הערכת שוליים. המטרה של כריתת הגוש היא להסיר את הגידול ושכבה קטנה של רקמות בריאות שמסביב, בניגוד כריתה מלאה, אשר מסיר את השד כולו. השוליים הכירורגית של רקמת הראש מוערך אז באמצעות פתולוגיה פעם המדגם תוקן formalin, מנות, מוטבע פרפין, ו רכוב בתוך 4 יקרומטר – 5 יקרומטר פרוסות על שקופיות מיקרוסקופ. תהליך זה עשוי לגזול זמן רב ודורש הליך ניתוחי משני במועד מאוחר יותר, אם השוליים החיוביים צופים20. הקווים המנחים הנוכחיים של האגודה האמריקנית לאונקולוגיה הקרינה להגדיר זה שוליים חיוביים כשיש תאים סרטניים באמצעות הקרקע ברמת השטח דיו21. THz הדמיה לספיגה גבוהה רקמות מוגבל בעיקר הדמיה פני השטח עם כמה חדירה שונים המבוסס על סוג הרקמה, אשר מספיקה לפגוש את הצרכים הכירורגית של הערכת שוליים מהירה. ניתוח מהיר של תנאי שוליים במהלך ההגדרה הכירורגית יהיה ירידה משמעותית בעלויות הניתוח ושיעור הליך המעקב. עד כה, THz הוכיחה יעיל בהבחנה בין סרטן ורקמות בריאות ב-formalin קבוע, פרפין מוטבע (FFPE) רקמות, אבל חקירה נוספת נחוצה כדי לספק זיהוי אמין של סרטן ברקמות המפורחות טריים7.
פרוטוקול זה מפרט את השלבים לביצוע הדמיה THz וספקטרוסקופיה על דגימות הרקמה האנושית שהתקבלו מתוך biobank. Thz יישומים שנבנו על הרקמות הטריות סרטן השד האנושי השתמשו לעתים רחוקות במחקר שפורסם7,18,22,23, במיוחד על ידי קבוצות מחקר לא משולבים עם בית החולים. השימוש ברקמות הטריות הוא גם נדיר עבור יישומים סרטניים אחרים, עם רוב שאינם בשדיים סרטן האדם הדוגמאות שדווחו על סרטן המעי הגס24,25. אחת הסיבות לכך היא כי גושי רקמה FFPE הם הרבה יותר קל לגשת ולטפל יותר מאשר רקמת המגורש טרי אלא אם מערכת THz לשמש למחקר הוא חלק מזרימת העבודה כירורגית. באופן דומה, רוב המעבדה מסחרי THz מערכות אינם מוכנים להתמודד עם רקמה טרייה, ואלה שעושים עדיין בשלבים של שימוש בצמיחה קו התאים או רק התחילו להסתכל על רקמת הראש מדגמי בעלי חיים. כדי להחיל את THz על הגדרה התוך-אופרטיבית מחייב ששלבי הדמיה ואפיון יתפתחו לרקמות טריות מראש כך שהניתוח לא יפריע ליכולת לבצע פתולוגיה סטנדרטית. עבור יישומים שאינם נועדו באופן מיסודו להיות הפנים, האפיון של רקמה טרייה הוא עדיין צעד מאתגר שחייב להיות ממוען לעבוד לקראת יישומים vivo ובידול.
המטרה של עבודה זו היא לספק מנחה ליישום THz עבור רקמת החפירה הטרייה באמצעות מערכת THz מסחרית. הפרוטוקול פותחה על הדמיה thz ו ספקטרוסקופיית מערכת26 עבור גידולים בסרטן השד murine13,17,19 והורחב רקמת כירורגי אנושי התקבל מ biobanks7,18. בעוד הפרוטוקול נוצר עבור סרטן השד, מושגים אותם ניתן להחיל מערכות הדמיה דומה THz וסוגים אחרים של סרטן מוצק הגידול כי הם מטופלים עם ניתוח שבו הצלחה תלויה בהערכת שוליים27. בשל כמות קטנה יחסית של תוצאות THz שפורסמו על הרקמות הטריות, זוהי העבודה הראשונה לידיעת המחברים כדי להתמקד בפרוטוקול של טיפול ברקמה טרייה עבור הדמיה THz ואפיון.
Protocol
Representative Results
Discussion
יעיל THz השתקפות הדמיה של רקמה טרייה תלויה בעיקר בשני היבטים קריטיים: 1) את השיקול הנכון של טיפול ברקמה (סעיפים 2 ו 4.15); ו -2) הגדרת הבמה (בעיקר סעיף 4.11). ייבוש מספיק של הרקמה יכול לגרום השתקפות מוגברת חוסר יכולת להמחיש אזורים בשל השתקפויות גבוהות של DMEM ונוזלים אחרים. בינתיים, מגע רקמות עני עם חלון…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו ממומנת על ידי המכון הלאומי לבריאות (NIH) פרס R15CA208798 ובחלקו על ידי הקרן הלאומית למדע (NSF) פרס 1408007. מימון עבור מערכת THz פעמו הושג באמצעות NSF/MRI הפרס 1228958. אנו מכירים את השימוש ברקמות שרכש על ידי המחקר הלאומי מחקר מחלף (NDRI) עם תמיכה של NIH מענק U42OD11158. אנו מכירים גם את שיתוף הפעולה עם המעבדה לאבחון בעלי חיים של אוקלהומה באוניברסיטת מדינת אוקלהומה לניהול הליך histopathology על כל הרקמות שטופלו בעבודה זו.
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).
