רקמות המדמים מטוסי פנטום להערכת יישומי דימות פלואורסצנטי קרוב אינפרא אדום פוטנציאליים בכירורגיה סרטן השד
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
אי דיוקים בלוקליזציה גידול במהלך ניתוח והערכה של תוצאת מעמד שוליים ניתוחית בתוצאה הכי מוצלחת של ניתוח שימור שד (BCS). הדמיה אופטית, בהדמיה מסוימת הקרינה אינפרא אדום קרובה (NIRF), עשויה להפחית את התדירות של שוליים ניתוחיים החיוביים הבאה BCS על ידי מתן המנתח עם כלי ללוקליזציה גידול לפני ותוך ניתוחית בזמן אמת. במחקר הנוכחי, את הפוטנציאל של BCS המודרך-NIRF מוערך באמצעות רוחות רפאים שד מדמה רקמות מסיבות של מטרות תקינה והכשרה.
רוחות רפאים שד עם מאפיינים אופטיים דומים לאלה של רקמת שד נורמלית שמשו כדי לדמות ניתוח שימור שד. תכלילים המכילים ירוק Indocyanine צבע פלואורסצנטי (ICG) הדמיית הגידולים שולבו ברוחות הרפאים במקומות מוגדרים מראש וצלמו עבור לוקליזציה גידול לפני ותוך ניתוחית, כריתת גידול מודרכת-NIRF בזמן אמת, הנחתה-NIRFהערכה על היקף הניתוח, והערכה לאחר ניתוח של שוליים ניתוחיים. מצלמה NIRF מותאמת אישית שימשה אב טיפוס קליני למטרות הדמיה.
רוחות רפאים שד המכילים תכלילים מדמה גידולים להציע כלי פשוט, זול, ותכליתי כדי לדמות ולהעריך את ההדמיה גידול במהלך ניתוח. יש לי רוחות הרפאים דביקות תכונות אלסטיות דומות לרקמה אנושית וניתן לחתוך באמצעות מכשירי ניתוח קונבנציונליים. יתר על כן, רוחות הרפאים מכילים המוגלובין וintralipid לחיקוי קליטה ופיזור של פוטונים, בהתאמה, יצירת תכונות אופטיות אחידות דומות לרקמת שד אנושית. החסרון העיקרי של ההדמיה NIRF הוא עומק החדירה המוגבל של פוטונים כאשר מתפשט דרך רקמות, אשר מעכבת הדמיה (לא פולשנית) של גידולים עמוקים עם אסטרטגיות עלית תאורה.
Introduction
ניתוח שימור שד (BCS) ואחריו הקרנות הוא הטיפול הסטנדרטי בחולי סרטן השד עם T 1 טריקו 2 סרטן השד 1,2. אי דיוקים בהערכה תוך ניתוחית של היקף תוצאת ניתוח בשוליים ניתוחיים חיוביים ב20 עד 40% מהחולים שעברו BCS, דבר המחייב התערבות כירורגית נוספת או 3,4,5 רדיותרפיה. למרות שכריתה נרחבת של רקמת שד בריאה סמוכה עשויה להפחית את התדירות של שוליים ניתוחיים חיוביים, זה יהיה גם להפריע תוצאות קוסמטיות ולהגדיל את 6,7 התחלואה הנלווית. טכניקות חדשניות יש צורך, אפוא, כי לספק משוב במהלך ניתוח על מיקומו של הגידול הראשוני והמידה של ניתוח. הדמיה אופטית, הקרינה אינפרא אדום קרובה הדמיה מסוימת (NIRF), עשויה להפחית את התדירות של שוליים ניתוחיים חיוביים הבאים BCS על ידי מתן המנתח עם כלי ללוקליזציה גידול לפני ותוך ניתוחית בrEAL זמן. לאחרונה, הקבוצה שלנו דיווחה על המשפט ב- האנושי הראשון של דימות פלואורסצנטי ממוקד גידול בחולי סרטן שחלות, המראה את ההיתכנות של טכניקה זו כדי לזהות גידולים ראשוניים וגרורות intraperitoneal עם רגישות גבוהה 8. לפני שאמשיך ללימודים קליניים בחולי סרטן השד, עם זאת, את הכדאיות של יישומים ממוקדי גידול שונים NIRF הדמיה בBCS יכולה כבר להיות מוערכת preclinically באמצעות רוחות רפאים.
פרוטוקול המחקר הבא מתאר את השימוש בהדמית NIRF ברוחות רפאים שד מדמה רקמות המכילות תכלילים מדמה גידולים ניאון 9. רוחות הרפאים לספק כלי זול ותכליתי כדי לדמות כריתת לוקליזציה גידול לפני ותוך ניתוחית, בזמן אמת מודרך-NIRF גידול, הערכה של מצב השוליים הניתוחי, וזיהוי של מחלה שיורית. יש לי רוחות הרפאים דביקות תכונות אלסטיות דומות לרקמה אנושית וניתן לחתוך באמצעות של קונבנציונלימכשירי urgical. במהלך ההליך הכירורגי המדומה, המנתח מונחה על ידי מידע מישוש (במקרה של תכלילים מוחשיים) ובדיקה ויזואלית של שדה הניתוח. בנוסף, ההדמיה NIRF מיושמת כדי לספק למנתח משוב תוך ניתוחי בזמן אמת על היקף הניתוח.
יודגש כי ההדמיה NIRF דורשת השימוש בצבעי ניאון. באופן אידיאלי, יש להשתמש בצבעים ניאון שפולטים פוטונים בטווח הקרוב אינפרא אדום הרפאים (650-900 ננומטר) כדי למזער את הקליטה ופיזור של פוטונים על ידי מולקולות מבחינה פיזיולוגית בשפע ברקמה (למשל, המוגלובין, שומנים, אלסטין, קולגן, ומים) 10,11. יתר על כן, autofluorescence (כלומר, פעילות הקרינה הפנימית ברקמות עקב תגובות ביוכימיות בתאים חיים) ממוזער בטווח הספקטרום הקרוב אינפרא אדום, וכתוצאה מכך יחסי גידול ל-רקע אופטימלי 11. על ידי להטות NIRF צובע לגידולי targemoieties טד (למשל, נוגדנים חד שבטיים), ניתן להשיג אספקה ממוקדת של צבעי ניאון עבור יישומי הדמיה תוך ניתוחיים.
שהעין האנושית אינה רגישה לאור בטווח הספקטרום הקרוב אינפרא אדום, מכשיר מצלמה רגיש מאוד נדרש עבור ההדמיה NIRF. מערכות הדמיה NIRF כמה לשימוש במהלך ניתוח פותחו עד כה 12. במחקר הנוכחי, השתמשנו מותאם אישית לבנות מערכת ההדמיה NIRF שפותחה עבור יישום במהלך ניתוח בשיתוף פעולה עם האוניברסיטה הטכנית של מינכן. המערכת מאפשרת לרכישה בו זמנית של תמונות בצבע ותמונות הקרינה. כדי לשפר את הדיוק של תמונות הקרינה, ערכת תיקון מיושמת לשינויים בעוצמת אור ברקמות. תיאור מפורט מסופק על ידי Themelis et al. 13
Protocol
Representative Results
Discussion
אנחנו מדומים יישומים קליניים פוטנציאליים של BCS המודרך-NIRF באמצעות רוחות רפאים בצורת שד עם תכלילים מדמה גידולים משולבים. לוקליזציה תוך ניתוחית של גידול, כריתת גידול מודרכת-NIRF, הערכה על היקף הניתוח, וההערכה לאחר ניתוח של שוליים ניתוחיים היו כל מצאו אפשריים באמצעות מערכ?…
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).
