Phantoms Tissue-simulación para la evaluación de las posibles aplicaciones de imágenes de fluorescencia en el infrarrojo cercano en la cirugía del cáncer de mama
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
Las imprecisiones en la localización tumoral intraoperatoria y la evaluación de resultado quirúrgico estado de los márgenes en el resultado subóptimo de la cirugía conservadora de la mama (BCS). Imágenes ópticas, en particular, imágenes de fluorescencia en el infrarrojo cercano (NIRF), podría reducir la frecuencia de los márgenes quirúrgicos positivos siguiente BCS, proporcionando al cirujano una herramienta para la localización de tumores pre e intraoperatoria en tiempo real. En el estudio actual, el potencial de BCS guiada por NIRF se evalúa usando fantasmas en periodo de simulación de tejidos por razones de fines de normalización y formación.
Fantasmas de mama con características ópticas comparables a los de los tejidos normales de mama se utilizan para simular la cirugía conservadora de la mama. Se incorporaron Tumor-simulando inclusiones que contienen el colorante fluorescente verde de indocianina (ICG) en los fantasmas en ubicaciones predefinidas y la imagen de la localización del tumor antes y intraoperatoria, la resección del tumor guiada por NIRF en tiempo real, guiada por NIRFEvaluación de la extensión de la cirugía, y la evaluación postoperatoria de los márgenes quirúrgicos. Una cámara NIRF personalizada se utilizó como un prototipo clínica para los propósitos de formación de imágenes.
Fantasmas mamarios que contienen inclusiones de tumores simulando ofrecen una herramienta sencilla, barata y versátil para simular y evaluar imágenes de tumores intraoperatoria. Los fantasmas gelatinosos tienen propiedades elásticas similares a los tejidos humanos y se pueden cortar usando instrumentos quirúrgicos convencionales. Además, los fantasmas contienen hemoglobina y Intralipid para imitar la absorción y la dispersión de los fotones, respectivamente, creando propiedades ópticas uniformes similares a tejido mamario humano. El principal inconveniente de formación de imágenes NIRF es la profundidad de penetración limitada de los fotones cuando se propaga a través del tejido, lo que dificulta (no invasivo) de formación de imágenes de tumores profundos con las estrategias de epi-iluminación.
Introduction
La cirugía conservadora de la mama (BCS) seguida de radioterapia es el tratamiento estándar para los pacientes con cáncer de mama T1-2 carcinoma de mama 1,2. Las imprecisiones en la evaluación intraoperatoria de la medida de resultado de la cirugía en los márgenes quirúrgicos positivos en 20 a 40% de los pacientes que se sometieron a BCS, necesitando intervención quirúrgica adicional o 3,4,5 radioterapia. Aunque la resección extensa del tejido mamario sano adyacente podría reducir la frecuencia de los márgenes quirúrgicos positivos, esto también obstaculizará resultado cosmético y aumentar 6,7 comorbilidad. Por lo tanto, se necesitan nuevas técnicas que proporcionan retroalimentación intraoperatoria en la localización del tumor primario y la extensión de la cirugía. Imágenes ópticas, en particular, la fluorescencia de infrarrojo cercano de imágenes (NIRF), podría reducir la frecuencia de los márgenes quirúrgicos positivos siguientes BCS, proporcionando al cirujano una herramienta para la localización de tumores pre e intraoperatoria en rtiempo eal. Recientemente, nuestro grupo informó sobre la primera prueba en humanos de imágenes de fluorescencia tumor-específica en pacientes con cáncer de ovario, que muestra la viabilidad de esta técnica para detectar tumores primarios y metástasis intraperitoneales con alta sensibilidad 8. Antes de proceder a los estudios clínicos en pacientes con cáncer de mama, sin embargo, la viabilidad de las diversas aplicaciones de imágenes NIRF tumorales orientada en BCS puede ya ser evaluado preclínicamente utilizando fantasmas.
El siguiente protocolo de investigación describe el uso de imágenes NIRF en fantasmas de mama con simulación de tejidos que contienen inclusiones de tumores simulando fluorescentes 9. Los fantasmas proporcionan una herramienta barata y versátil para simular la resección localización del tumor antes y intraoperatoria, en tiempo real guiado-NIRF tumor, la evaluación del estado de los márgenes quirúrgicos, y la detección de la enfermedad residual. Los fantasmas gelatinosos tienen propiedades elásticas similares a los tejidos humanos y se pueden cortar usando s convencionalinstrumentos urgical. Durante el procedimiento quirúrgico simulado, el cirujano se guía por la información táctil (en el caso de inclusiones palpables) y la inspección visual del campo operatorio. Además, se aplica de imágenes NIRF para proporcionar al cirujano retroalimentación en tiempo real intraoperatoria de la extensión de la cirugía.
Debe hacerse hincapié en que la imagen NIRF requiere el uso de colorantes fluorescentes. Idealmente, los colorantes fluorescentes se deben utilizar que emiten fotones en el rango espectral del infrarrojo cercano (650 a 900 nm) para minimizar la absorción y la dispersión de fotones por moléculas fisiológicamente abundantes en el tejido (por ejemplo, hemoglobina, lípidos, elastina, colágeno, y agua) 10,11. Por otra parte, la autofluorescencia (es decir, la actividad de fluorescencia intrínseca en los tejidos debido a las reacciones bioquímicas en las células vivas) se reduce al mínimo en el rango espectral del infrarrojo cercano, resultando en óptimas proporciones tumor a fondo 11. Conjugando NIRF tiñe de tumor-targerestos TED (por ejemplo, anticuerpos monoclonales), la administración dirigida de los tintes fluorescentes se pueden obtener para aplicaciones de imágenes intraoperatorias.
Como el ojo humano es insensible a la luz en el rango espectral del infrarrojo cercano, se requiere un dispositivo de cámara altamente sensible para la formación de imágenes NIRF. Varios sistemas de imágenes NIRF para uso intraoperatorio se han desarrollado hasta el momento 12. En el presente estudio, se utilizó un sistema de imagen de generación personalizada NIRF que fue desarrollado para la aplicación intraoperatoria en colaboración con la Universidad Técnica de Munich. El sistema permite la adquisición simultánea de imágenes en color e imágenes de fluorescencia. Para mejorar la exactitud de las imágenes de fluorescencia, un esquema de corrección se aplica para las variaciones en la intensidad de la luz en el tejido. Una descripción detallada se proporciona por Themelis et al. 13
Protocol
Representative Results
Discussion
Hemos simulado potenciales aplicaciones clínicas de BCS guiadas-NIRF a través de la utilización de fantasmas de mama en forma de inclusiones con tumores simulando integrados. Localización intraoperatoria del tumor, la resección tumoral guiada por NIRF, la evaluación de la extensión de la cirugía, y la evaluación postoperatoria de los márgenes quirúrgicos fueron encontrados factible el uso de un sistema de cámaras de NIRF costumbre-construir. La detección no invasiva de inclusiones fluorescentes simulando tu…
Disclosures
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 |
References
- 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).
