Tissue-simulere Phantoms for Assessing Potensielle nær-infrarødt fluorescens bildebehandlingsprogrammer i Breast Cancer Surgery

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

Unøyaktigheter i intraoperativ tumor lokalisering og evaluering av kirurgisk margin status resultat i suboptimal utfallet av brystbevarende kirurgi (BCS). Optisk avbildning, spesielt nær-infrarøde fluorescens (NIRF) avbildning, kan redusere hyppigheten av positive kirurgiske marginer følgende BCS ved å gi kirurgen med et verktøy for pre-og intraoperativ tumor lokalisering i sanntid. I denne studien, er potensialet i NIRF-guidet BCS evalueres med vev-simulere bryst fantomer på grunn av standardisering og opplæringsformål.

Bryst fantomer med optiske egenskaper sammenlignbare med de av normale brystvev ble brukt til å simulere bryst konserverende kirurgi. Tumor-simulere slutninger som inneholder fluorescerende fargestoff indocyanine grønn (ICG) ble innlemmet i fantomene på forhåndsdefinerte steder og avbildes for pre-og intraoperativ tumor lokalisering, real-time NIRF-guidet tumorreseksjon, NIRF-guidedevaluering av omfanget av operasjonen, og postoperativ vurdering av kirurgiske marginer. En tilpasset NIRF kamera ble brukt som en klinisk prototype for bildebehandling formål.

Bryst fantomer som inneholder tumor-simulere slutninger tilbyr en enkel, billig og allsidig verktøy for å simulere og evaluere intraoperativ svulst bildebehandling. Den geléaktige fantomene har elastiske egenskaper som ligner på menneskelig vev og kan kuttes ved hjelp av konvensjonelle kirurgiske instrumenter. Videre fantomene inneholder hemoglobin og Intralipid for å etterligne absorpsjon og spredning av fotoner henholdsvis oppretting ensartede optiske egenskaper som ligner på humant brystvev. Den største ulempen med NIRF bildebehandling er begrenset inntrengningsdybde av fotoner når forplanter seg gjennom vev, som hindrer (invasiv) avbildning av dyptliggende svulster med epi-belysning strategier.

Introduction

Brystbevarende kirurgi (BCS) etterfulgt av strålebehandling er standard behandling for brystkreftpasienter med T ₁ -T _세스 brystkreft ^1,2. Unøyaktigheter i intraoperativ vurdering av omfanget av operasjonen resultat i positive kirurgiske marginer i 20 til 40% av pasientene som gjennomgikk BCS, nødvendiggjør ytterligere kirurgisk inngrep eller strålebehandling ^3,4,5. Selv om omfattende reseksjon av tilstøtende sunn brystvev kan redusere hyppigheten av positive kirurgiske marginer, vil dette også hemme kosmetisk resultat og øke komorbiditet ^6,7. Nye teknikker er derfor nødvendig at gi intraoperativ tilbakemelding på plasseringen av den primære tumor og omfanget av operasjonen. Optisk avbildning, spesielt nær-infrarøde fluorescens (NIRF) avbildning, kan redusere hyppigheten av positive kirurgiske marginer følgende BCS ved å gi kirurgen med et verktøy for pre-og intraoperativ tumor lokalisering i rEAL-tiden. Nylig rapporterte vår gruppe på den første in-human studie av tumor-målrettet fluorescens bildebehandling i eggstokkene kreftpasienter, viser gjennomførbarheten av denne teknikken til å oppdage primære svulster og intraperitoneal metastaser med høy følsomhet ^åtte. Før du går videre til kliniske studier hos brystkreftpasienter, men muligheten for ulike tumor målrettet NIRF bildebehandlingsprogrammer i BCS kan allerede bli evaluert preklinisk bruker fantomer.

Følgende forskningsprotokoll beskriver bruk av NIRF bildebehandling i vev-simulere bryst fantomer som inneholder fluorescerende tumor-simulere slutninger ^ni. Fantomene gi en rimelig og allsidig verktøy for å simulere pre-og intraoperativ tumor lokalisering, real-time NIRF-guidet tumorreseksjon, vurdering av kirurgisk margin status, og påvisning av restsykdom. Den geléaktige fantomene har elastiske egenskaper som ligner på menneskelig vev og kan kuttes ved hjelp av konvensjonelle surgical instrumenter. Under simulert kirurgisk prosedyre, blir styrt av kirurgen følbar informasjon (i tilfelle av inneslutninger palpable), og visuell inspeksjon av det operative området. I tillegg er NIRF avbildning anvendt for å gi kirurgen med sanntids tilbakemelding intraoperativ på omfanget av operasjonen.

Det bør understrekes at NIRF bildebehandling krever bruk av fluorescerende fargestoffer. Ideelt sett bør fluorescerende fargestoffer anvendes som emittere fotoner i det nær-infrarøde spektralområdet (650-900 nm) for å minimalisere absorpsjon og spredning av fotoner med molekyler fysiologisk rikelig i vev (for eksempel hemoglobin, lipider, elastin, kollagen, og vann) ^10,11. Videre autofluorescens (dvs. den indre fluorescens aktivitet i vev på grunn av biokjemiske reaksjoner i levende celler) blir minimalisert i den nær-infrarøde spektralområdet, noe som resulterer i optimale tumor-til-bakgrunnsforhold ^11. Ved å konjugere NIRF fargestoffer til tumor-TARGEted moieties (f.eks monoklonale antistoffer), kan fås målrettet levering av fluorescerende fargestoffer for intraoperativ bildebehandlingsprogrammer.

Som det menneskelige øyet er ufølsomt å lyse i nær-infrarøde spektrale området, er en svært følsom kamera enhet kreves for NIRF bildebehandling. Flere NIRF bildebehandlingssystemer for intraoperativ bruk har blitt utviklet så langt ^12. I denne studien brukte vi en egendefinert bygge NIRF bildesystem som ble utviklet for intraoperativ søknad i samarbeid med det tekniske universitetet i München. Systemet gjør det mulig for samtidig kjøp av fargebilder og fluorescens bilder. For å forbedre nøyaktigheten av fluorescens bilder, blir en korreksjon ordning implementert for variasjoner i lysintensiteten i vev. En detaljert beskrivelse er levert av Themelis et al. ¹³

Protocol

1. Opprett Silikon Former for tumor simulere Slutninger Samle solide elementer av ønsket fasong og størrelse som kan tjene som modeller for tumor-simulere slutninger, for eksempel, perler eller klinkekuler. Rengjøre tumormodeller grundig. For å sikre enkel fjerning fra silikonformen, kan tumormodeller skal sprøytes med anti-stick spray eller belagt med et tynt skikt petroleumsgele eller bivoks. Plasser hver modell i en separat tynnvegget firkantet boks (plast) med en glatt ov…

Representative Results

Resultater fra denne studien har tidligere blitt rapportert andre steder ni. Våre data viser at NIRF bildebehandling kan brukes til å oppdage fluorescerende tumor-simulere slutninger i vev-simulere bryst fantomer, simulere NIRF-guidet brystbevarende kirurgi hos brystkreftpasienter. Ved hjelp av vår fantommodell, fant vi intraoperativ tumor lokalisering, NIRF-guidet tumorreseksjon, intraoperativ vurdering av kirurgiske hulrom marginer, og påvisning av restsykdom å være mulig …

Discussion

Vi simulert potensielle kliniske anvendelser av NIRF-guidede BCS gjennom bruk av bryst-formet fantomer med integrerte tumor-simulere slutninger. Intraoperativ tumor lokalisering, NIRF-guidet tumorreseksjon, evaluering av omfanget av operasjonen, og postoperativ vurdering av kirurgiske marginer ble alle funnet mulig ved hjelp av en skredder bygge NIRF kamerasystem. Ikke-invasiv deteksjon av fluorescerende tumor-simulerende inneslutninger var bare mulig for inneslutninger som er plassert i fantom vev i en dybde på 2 cm e…

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