Vävnads simulera Phantoms för bedömning Potentiella nära infraröda fluorescens bildåtergivning i bröstcancer kirurgi
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
Felaktigheter i intraoperativ tumörlokalisering och utvärdering av kirurgisk marginal status resultat i suboptimalt utfall av bröstbevarande kirurgi (BCS). Optisk avbildning, i synnerhet nära infraröda fluorescens (NIRF) imaging, kan minska frekvensen av positiva kirurgiska marginaler efter BCS genom att ge kirurgen med ett verktyg för pre-och intraoperativ tumörlokalisering i realtid. I den aktuella studien, är potentialen för NIRF styrd BCS utvärderas med hjälp av vävnads simulera bröst fantomer på grund av standardisering och träning.
Bröst fantomer med optiska egenskaper som är jämförbara med normal bröstvävnad användes för att simulera bröstbevarande kirurgi. Tumör-simulering inneslutningar som innehåller fluorescerande färg indocyaningrönt (ICG) införlivades i skuggvarelserna på fördefinierade platser och avbildas för pre-och intraoperativ tumörlokalisering, realtid NIRF styrd tumörresektion, NIRF styrdUtvärderingen av graden av kirurgi och postoperativ bedömning av kirurgiska marginaler. En anpassad NIRF kamera användes som en klinisk prototyp för avbildningsändamål.
Bröst fantomer innehållande tumör simulera inklusioner erbjuda en enkel, billig, och mångsidigt verktyg för att simulera och utvärdera intraoperativ tumöravbildning. De gelé fantomer har elastiska egenskaper som liknar mänsklig vävnad och kan kapas med hjälp av konventionella kirurgiska instrument. Dessutom skuggvarelserna innehåller hemoglobin och intralipid för härma absorption och spridning av fotoner, respektive, skapa enhetliga optiska egenskaper som liknar human bröstvävnad. Den huvudsakliga nackdelen med NIRF avbildning är det begränsade inträngningsdjup av fotoner när föröknings genom vävnad, vilket hindrar (noninvasiv) avbildning av djupt liggande tumörer med epi-belysningsstrategier.
Introduction
Bröstbevarande kirurgi (BCS) följt av strålbehandling är standardbehandling för bröstcancerpatienter med T 1-T 2 bröstcancer 1,2. Felaktigheter i intraoperativ bedömning av omfattningen av operation leder till positiva kirurgiska marginaler i 20 till 40% av de patienter som genomgick BCS, vilket kräver ytterligare kirurgiska ingrepp eller strålbehandling 3,4,5. Trots omfattande resektion av intilliggande frisk bröstvävnad kan minska frekvensen av positiva kirurgiska marginaler, kommer detta också förs kosmetiska resultatet och öka samsjuklighet 6,7. Nya tekniker behövs därför att ge intraoperativ feedback på platsen för primärtumör och omfattningen av operationen. Optisk avbildning, i synnerhet nära infraröda fluorescens (NIRF) imaging, kan minska frekvensen av positiva kirurgiska marginaler efter BCS genom att ge kirurgen med ett verktyg för pre-och intraoperativ tumörlokalisering i real-tid. Nyligen, vår grupp rapporterade om den första in-human studie av tumör-riktade fluorescens avbildning i äggstocks cancerpatienter, visar genomförbarheten av denna teknik för att upptäcka primära tumörer och metastaser intraperitoneala med hög känslighet 8. Innan du fortsätter till kliniska studier på patienter med bröstcancer kan dock redan utvärderas genomförbarheten av olika tumörinriktade NIRF bildprogram i BCS prekliniskt använder fantomer.
Följande forskningsprotokoll beskriver användningen av NIRF avbildning i vävnads simulera bröst fantomer som innehåller fluorescerande tumör simulera inneslutningar 9. De fantomer ger ett billigt och mångsidigt verktyg för att simulera före och intraoperativ tumörlokalisering, realtid NIRF styrd tumörresektion, bedömning av statusen kirurgiska marginalen, och detektion av kvarvarande sjukdom. De gelé fantomer har elastiska egenskaper som liknar mänsklig vävnad och kan kapas med hjälp av konventionella surgical instrument. Under den simulerade kirurgiska ingrepp, är kirurgen styrs av taktil information (i fallet med påtagliga inneslutningar) och visuell kontroll av operationsområdet. Dessutom är NIRF avbildning tillämpas för att förse kirurgen med realtid intraoperativ feedback på omfattningen av kirurgi.
Det bör understrykas att NIRF avbildning kräver användning av fluorescerande färger. Helst bör fluorescerande färger användas som avger fotoner i det nära infraröda spektralområdet (650-900 nm) för att minimera absorption och spridning av fotoner från molekyler fysiologiskt rikligt i vävnad (t.ex. hemoglobin, lipider, elastin, kollagen, och vatten) 10,11. Dessutom autofluorescens (dvs, den inneboende fluorescens aktivitet i vävnader på grund av biokemiska reaktioner i levande celler) minimeras i det nära infraröda spektralområdet, vilket resulterar i optimal tumör-till-bakgrundsförhållanden 11. Genom att konjugera NIRF färgämnen till tumör targeted delar (t.ex. monoklonala antikroppar), kan målinriktad leverans av fluorescerande färgämnen erhållas för intraoperativa bildprogram.
Eftersom det mänskliga ögat är okänslig för ljus i det nära infraröda spektralområdet, är en mycket känslig kamera anordning som krävs för NIRF avbildning. Flera NIRF System imaging för intraoperativ användning har tagits fram hittills 12. I den aktuella studien använde vi en anpassad bygga NIRF bildsystem som utvecklats för intraoperativ applikation i samarbete med det tekniska universitetet i München. Systemet möjliggör samtidig förvärv av färgbilder och fluorescensbilder. För att förbättra noggrannheten av de fluorescensbilder, är ett korrigeringsschema implementeras för variationer i ljusintensitet i vävnad. En detaljerad beskrivning ges av Themelis et al. 13
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi simulerade potentiella kliniska tillämpningar av NIRF-guidade BCS med hjälp av bröstformade fantomer med integrerade tumör simulera inneslutningar. Intraoperativ tumörlokalisering, NIRF styrd tumörresektion, utvärdering på omfattningen av kirurgi och postoperativ bedömning av kirurgiska marginaler befanns alla möjligt med en anpassad-bygga NIRF kamerasystem. Noninvasiv detektion av fluorescerande tumör simulera inneslutningar var bara möjligt för inneslutningar placerade i fantom vävnaden på ett djup a…
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).
