We present a diffuse optical spectroscopic (DOS) approach that provides quantitative optical biomarkers of skin response to radiation. We describe DOS instrumentation design, optical parameters extraction algorithms and the animal handling procedures required to yield representative data from a pre-clinical mouse model of radiation induced erythema.
Acute skin toxicities from ionizing radiation (IR) are a common side effect from therapeutic courses of external beam radiation therapy (RT) and negatively impact patient quality of life and long term survival. Advances in the understanding of the biological pathways associated with normal tissue toxicities have allowed for the development of interventional drugs, however, current response studies are limited by a lack of quantitative metrics for assessing the severity of skin reactions. Here we present a diffuse optical spectroscopic (DOS) approach that provides quantitative optical biomarkers of skin response to radiation. We describe the instrumentation design of the DOS system as well as the inversion algorithm for extracting the optical parameters. Finally, to demonstrate clinical utility, we present representative data from a pre-clinical mouse model of radiation induced erythema and compare the results with a commonly employed visual scoring. The described DOS method offers an objective, high through-put evaluation of skin toxicity via functional response that is translatable to the clinical setting.
Tekniska förbättringar inom strålterapi (RT) planering och genomförande tillåter nu för mycket konform terapeutiska doser som ska levereras till tumörområdet och samtidigt skona normala omgivande strukturer. Ännu, akuta och ibland allvarliga toxiciteter är oundvikliga när målet höga dos är i nära anslutning till huden. Om allvarlig nog, kan den resulterande normal vävnadsskada negativt påverka RT behandlingsresultat och patientens livskvalitet 1,2.
Trots de negativa konsekvenserna, nuvarande ledning av strålning hudrodnad förblir ospecifik, som sysselsätter krämer eller salvor som ignorerar de underliggande biologiska mekanismer som leder till skador. Dessa metoder är baserade på att minimera symptom snarare än orsaken. Dessutom är tidpunkten och administration av interventionella behandlingar kompliceras av kvalitativa och subjektiva bedömning strålning hudskada. Medan flera erkändaorganisationer (RTOG, EORTC) ger visuella betygs rekommendationer, institutioner varierar i deras val av föredragen poäng och därmed döljer jämförelser av normala vävnads toxicitet i syfte att meta-analyser. Vidare, sådana klassificeringssystem är rå och benägna att inter observatör variabilitet så att skillnader i strålnings skadornas svårighetsgrad kan vara urskiljas i studier som utvärderar minsknings toxicitet strategier.
I stället för att visuellt beskriva graden av erytem i bestrålad hud, är en alternativ metod för att mäta parametrar som kvantitativt beskriver de underliggande fysiologiska förändringar som sker i orgeln. Blodhemoglobin (Hb), vävnadssyremättnad (STO 2) eller syresatt hemoglobin (oxyHb) nivåer har använts som proxyservrar för bestrålning-inducerad erytem hos möss 3-6. Efter bestrålning, totala Hb nivåer undergår fluktuationer, men oxyHb eller STO 2 genomgår en karakteristisk tidigt kraftig ökning, följt av enfalla och en annan mer ihållande ökning 3,6. När irriterande används för att inducera hudrodnad, vaskulära oxyHb nivåer direkt korrelerar med svårighetsgraden av den lokala erytem och inflammation 7.
Diffus optisk spektroskopi (DOS) använder nära infrarött ljus för att ge funktionell information om de biokemiska och mikrostrukturella komponenter i vitala vävnader komponenter. Detta kvantitativa, icke-invasiv optisk teknologi erbjuder en metod för att mäta den cytokin-inducerad vasodilatation i blodkärl som inträffar under erytem via funktionella ersättningar för Hb koncentration och STO 2. Nyligen genomförda studier som jämför DOS uppmätta parametrarna med kontrollerade kliniska scoringmetoder 8-11 tyder på möjligheten av tekniken för att övervinna de begränsningar som för nuvarande betygs system.
Här beskriver vi en in-house, bärbart, DOS-system som använder funktionella surrogat för kvantitativt detecting skillnader i strålningsinducerad hud toxicitet i en preklinisk musmodell 5. Den beskrivna plattformen kan tillhandahålla ett medel för standardiserad erythema poäng med hög känslighet för tidig upptäckt och subtil differentiering av interventionell läkemedelssvar. Dessutom, med endast mindre anpassningar, instrumenteringen kan eventuellt användas kliniskt för realtidssäng övervakning.
En DOS metod för kvantitativ bedömning av strålning huden toxicitet med optisk biomarkörer har presenterats. Visuella hudtoxicitet poängsystem kräver expertutbildning och även då är benägna att inter observatör variabilitet och subjektivitet. DOS-systemet och analysprogram är enkel att använda, kräver minimal utbildning och returnerar objektiva funktionella parametrar för att tolka fysiologiska förändringar i huden. Dessutom, i stället för att beskriva utseendet på en hudförändring som en enda parameter, ger DOS en mängd information i spektral form, optiska egenskaper och funktionella / mikro parametrar som ger en ökad grad av känslighet och specificitet inte är tillgängliga i dagens kvalitativa scoringmetoder. Avsnitt 1 och 7 belysa de viktigaste behandlingssteg för att erhålla absoluta spektraldata som kan utnyttjas för kvantitativ montering av optiska biomarkörer. Bakgrund och baslinjesubtraktion är avgörande för att göra det möjligt för användaren att utföraDOS mätningar under normala ljusförhållanden. Avsnitt 8 tillhandahåller de nödvändiga modeller och ekvationer som behövs för att beskriva atymiska möss före och efter röntgenstrålning. Här är avgörande för en korrekt beskrivning av den uppmätta spektra val av lämpliga absorbenter. Det rekommenderas att användaren noggrant undersöka i litteraturen nyckeldämparna som dominerar våglängdsområdet och vävnad av intresse som används i en given studie före konstruktion av en optisk biomarkör passande modell. Slutligen, §§ 3-5 beskriver hanteringen av atymiska möss under DOS förvärv. För att undvika att störa den lokala kärl, använd mild kraft att placera DOS sonden på ytan mushud.
Medan relativt billigt jämfört med hyperspektrala kamerasystem 3,4, är en klar begränsning av den beskrivna DOS tillvägagångssätt användningen av en punkt sond för mätning av diffus reflektans. Detta reflektionsgeometri nödvändigheter mild kontakt med huden ochhar potential att införa mätosäkerheten genom dispergering av kärl om konsekvent probe-trycket mot huden inte används. Framtida konstruktioner av DOS-proben kan innehålla en trycksensor för att upprätthålla konsekventa resultat. Vidare, medan användningen av nära källa-detektorseparation (<2-3 mm) möjliggör för optiska probningsdjup som är specifika för hudytan, kommer den förbättrade specificiteten hos en förlust av rumslig upplösning jämfört med 2D hyperspektral avbildning. För att minimera denna begränsning, 5 poäng kvadrant scan som fångar den totala bestrålade volymen användes. Trots bristen på rumslig upplösning, har tidigare arbete i möss 5 visat förmåga optiska biomarkörer i genomsnitt över en gles område att skilja inte bara bestrålade och icke-bestrålade huden utan också effekterna av huden sparande interventionella läkemedel såsom Vasculotide 6.
Det bör noteras att medan den övergripande systemkonstruktionen kan modifieras för olika hud modeller, kan den underliggande grunden spektra och spridning form måste optimeras. Specifikt, medan oxi- och deoxi-Hb väl beskriva en atymiska musmodell tillämpning av samma modell till mörkare hud kan kräva tillsats av melanin för optimal passform. Dessutom, förlängning av DOS bandbredd till högre våglängder> 950 nm skulle kräva tillsats av vatten, som dominerar vid högre våglängder. Vidare kan djurmodeller med olika hud tjocklekar kräver en annan källa-detektor separation för att optimera djup känslighet. Slutligen gör den hårlösa funktionen algoritmer enklare. Även icke-hårlösa modeller kan vara optimal för vissa frågeställningar, kommer de att kräva hårborttagning innan DOS mätningar och hudirritation från denna process kan påverka resultaten. För forskning där den totala immunförsvar är avgörande, en immun hårlösa mus (t.ex. SKH-1) kan tjäna som en bättre modell på grund av dess eutymiska natur.
ent "> Viktiga överväganden för DOS sondmätningar är konsekvent RT och uppskattning av det bestrålade området. Temperaturväxlingar kan påverka vävnad Hb och STO 2 våningar. Mätning en grupp av 3 icke-bestrålade djur vid varje datainsamling gång kan tjäna som en baslinje till som oavsiktliga miljö fluktuationer i parametervärden kan normaliseras. Dessutom kan det bestrålade området vara svårt att uppskatta (om hudflik förberedelserna var inte konsekvent) innan skador börjar manifestera visuellt runt dag 5 (40 Gy). Om du använder svart märkpenna till dot gränserna för strålnings exponerad hud, undvika överdriven bläck används för att förhindra att bläcket smetas ut, vilket kan äventyra avläsningar.En extra funktion i systemet är förmågan att skilja absorption från spridningsegenskaper. Medan alternativa hyperspektrala bildsystem ger också möjligheten att övervaka oxyHb och Hb koncentration, den fria rymden geometri hyperspektral avbildning i är oförmögen att lösa spridnings förändringar. Denna begränsning kan leda till felaktigheter i den returnerade oxyHb, Hb och sto 2 parametrar sker betydande förändringar i spridning uppstå på grund av erytem (rodnad). Vidare kan övervakning av spridnings ändringar med DOS ytterligare optiska biomarkörer för erythema utvärdering. Såsom visas i fig 6, de första resultaten från Yohan et al. (2014) visar att A och k uppvisar en tidsmässig trend efter joniserande strålning som inte korrelerar med trender som observerats från andra alternativa metoder, såsom visuell poängsystem. Detta indikerar att spridnings förändringar inte manifesteras i ett visuellt beskrivande sätt och kan i själva verket vara att beskriva en separat biologisk process. Därför jämfört med alternativa metoder, ger DOS en hög upplösning för ytliga spridningsförändringar, en väg för att undersöka nya hudskador biomarkörer som kan vara skild från de vanliga Hb-baserade mätningar.
jove_content "> Även om vår modell utnyttjar en stor enkel stråldos (i stället för flera små fraktionerade doser som används i klinisk miljö), detta härmar patofysiologin för akut mänsklig hud farligheten 21. Det förutses att med ytterligare optimering, kan DOS tillhandahålla en kvantitativ metod för automatiserad och standardiserad poängsättning av strålningsinducerade hudreaktioner. efter mastering denna teknik kan framtida tillämpningar är att övervaka skillnader mellan hud sparande läkemedel (t.ex. jämföra oxyHb nivåer mellan en kontroll och experimentell behandling för hud strålskydd, eller för sårläkning befordran ). Även idealisk för hög genomströmning drogscreening i djurmodeller, är potentiellt anpassas till den kliniska miljön DOS systemet på grund av enkel användbarhet och förmåga att mäta i normala ljusförhållanden. i detta fall kan sonden designen kräver mindre modifieringar med något större optode separationer till svars förden ökade tjockleken av människohud. En klinisk DOS-system skulle göra det möjligt för on-line utvärdering av interventionella behandlingar som kan minimera smärtsamma hudreaktioner och förbättra patientkomfort och efterlevnad. I framtiden kan det vara intressant att utvidga DOS-baserade kvantifiering till funktionerna i kronisk strålningsinducerad hudskada (t.ex. fibros).The authors have nothing to disclose.
This work was supported by research grants awarded to SKL from Abbott CARO (Canadian Association of Radiation Oncologists) Uro-Oncologic Radiation Awards and the Alan E. Tiffin Foundation. EK was supported by the Frederick Banting and Charles Best Canada Graduate Scholarship, the Scace Graduate Fellowship in Prostate Cancer Research and Paul Starita Graduate Student Fellowship.
Nude mice | e.g. Charles River | Athymic nude Crl:NU(NCr)-Foxn1nu, or immunocompetent nude Crl:SKH1-Hrhr | |
Small animal irradiator | e.g. Faxitron X-Ray Corp. | Faxitron CP160 | |
Animal anaesthesia | If using isoflurane vaporizer machine with induction chamber, need tube and nose cone | ||
Lead jig and plexiglass stage | Custom made | If irradiator device exposes whole animal body to radiation, lead shielding must be used to expose only the skin flap | |
Medical tape | |||
Permanent marker/ear puncher | |||
Matlab | Mathworks Inc., Natick, MA | With StatisticsToolbox | |
Labview | National Instruments, Vaudreuil-Dorian, QB | ||
DOS system | |||
Optical multiplexer | Ocean Optics, Dunedin, FL | Model MPM-2000 | |
Spectrometer | Ocean Optics, Dunedin, FL | Model S200 | |
White light source | Ocean Optics, Dunedin, FL | Model LS-1 | |
Intralipid-20% | Kabi Pharmacia, New York, NY | ||
Reflectance standard | INO, Quebec City, QB |