פוזיטרונים פליטת טומוגרפיה מבוסס מינון ציור הקרנות טיפול במודל חולדת Glioblastoma באמצעות פלטפורמת מחקר קרינה בבעלי חיים קטנים
Summary
כאן אנו מציגים פרוטוקול לביצוע טומוגרפיה מבוססת טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים פרה-קלינית במודל גליובלסטומה עכברוש באמצעות אלגוריתמים שפותחו בתוך הבית כדי לייעל את הדיוק והיעילות.
Abstract
מודל גליובלסטומה עכברוש לחקות טיפול כימותרפיה-קרינה של גליובלסטומה אנושית במרפאה הוקם בעבר. בדומה לטיפול הקליני, טומוגרפיה ממוחשבת (CT) והדמיה תהודה מגנטית (MRI) שולבו במהלך תהליך תכנון הטיפול. הדמיית טומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET) נוספה לאחר מכן כדי ליישם הגברת נפח משנה באמצעות מערכת מיקרו-הקרנה. עם זאת, שילוב של שלוש שיטות הדמיה (CT, MRI ו- PET) באמצעות מערכת מיקרו-הקרנה התגלה כגורם עתיר עבודה מכיוון שיש להשלים הדמיה רב-מודאלית, תכנון טיפול ואספקת מינון ברצף בסביבה הפרה-קלינית. התוצאה היא גם זרימת עבודה נוטה יותר לטעות אנוש. לכן, אלגוריתם ידידותי למשתמש כדי לייעל עוד יותר תכנון טיפול קרינה רב-קליני מבוסס הדמיה פרה-קלינית יושם. כלי תוכנה זה שימש להערכת הדיוק והיעילות של טיפול בקרינה בצביעת מינון עם מיקרו הקרנה באמצעות עיצוב מחקר סיליקו . המתודולוגיה החדשה לצביעת מינון הקרנות עדיפה על השיטה שתוארה בעבר מבחינת דיוק, יעילות זמן ושונות פנים-משתמשית ובין-משתמשית. זהו גם צעד חשוב לקראת יישום תכנון טיפול הפוך על מיקרו-הקרנות, שבו תכנון קדימה עדיין נפוץ, בניגוד למערכות קליניות.
Introduction
גליובלסטומה (GB) הוא גידול ממאיר ואגרסיבי מאוד במוח. GB הוא גידול הטרוגני מוצק המאופיין בדרך כלל על ידי גבולות חודרניים, אטיפיה גרעינית, ונמק1. הנוכחות של מחסום הדם – מוח ומעמדו של המוח כאתר בעל זכויות חיסוניות הופכת את גילוי המטרות החדשות לכימותרפיה ואימונותרפיה למשימה מרתיעה 2,3,4. ראוי לציין כי הטיפול בחולי GB בקושי השתנה מאז ההקדמה, בשנת 2005, של פרוטוקול Stupp המשלב טיפול קרינת קרן חיצונית (RT) עם טמוזולומייד במקביל, בדרך כלל ואחריו temozolomide אדג’ובנטית5. בדרך כלל, לפרוטוקול סטאפ קדם כריתה כירורגית מקסימלית. לכן, גישות טיפול אלטרנטיבי הן בעלות חשיבות מכרעת.
טיפול קרינה נוכחי לחולי גליובלסטומה מספק מינון קרינה אחיד לנפח הגידול המוגדר. בקרינה אונקולוגית, יש מתאם חשוב של תגובת מינון עבור גליובלסטומה עם הגדלת המינון, אשר נראה לכסות סביב 60 Gy, בשל רעילות מוגברת למוח הרגיל6,7. עם זאת, גידולים יכולים להיות הטרוגניים מאוד (רדיוביולוגית), עם שיפועים של רמת חמצן ו / או הבדלים גדולים בצפיפות התאים. טכניקות הדמיה מטבולית, כגון PET, יכול לדמיין תכונות ביולוגיות אלה, ניתן להשתמש כדי להתאים אישית את מרשם המינון. גישה זו ידועה בשם ציור מינון RT. מונח זה הוצג על ידי לינג ואח ‘בשנת 2000. המחברים הגדירו את צביעת המינון RT כמפיקה “התפלגות מינון קונפורמית להפליא בתוך האילוצים של התפשטות קרינה ופיזור”8.
ישנם שני סוגים של ציור מינון RT, ציור מינון על ידי קווי מתאר (DPBC), שבאמצעותו מינון נקבע לקבוצה של תת-כרכים מקוננים, וציור מינון לפי מספרים (DPBN), לפיו מינון נקבע ברמת voxel. התפלגות המינון עבור DPBN RT ניתן לחלץ מתמונות פונקציונליות. המינון בכל voxel נקבע על ידי האינטנסיביות I של voxel המתאים בתמונה, עם גבול תחתון ועליון, כדי לוודא כי, מצד אחד, מנה מספקת מועברת לכל חלק של הגידול. מצד שני, מינונים אינם חורגים מהגבול העליון כדי להגן על איברים בסיכון ולהימנע מרעילות. השיטה הפשוטה ביותר היא אינטרפולציה ליניארית (ראה Eq. 1) בין מינון מינימלי Dmin לבין Dmax במינון מקסימלי, המשתנה באופן יחסי בין Imax בעוצמה מינימלית לבין עוצמה מקסימלית בתוך נפח היעד9,10
א.ק. 1
כי יש כמה ספקנות לגבי אבטחת האיכות של DPBN RT, התצהיר של המינון צריך להיות מאומת באמצעות מחקר פרה קליני וקליני10. עם זאת, ניתן לרכוש רק נתונים מוגבלים מניסויים קליניים, וההשערה היא שניתן להשיג תובנות נוספות על ידי צמצום לבעלי חיים במעבדה1,12. לפיכך, מחקרים פרה-קליניים המשתמשים בפלטפורמות מחקר קרינה מונחות תמונה מדויקות המאפשרות צימוד עם כמה טכניקות ספציפיות מאוד, כגון אוטורדיוגרפיה, מתאימים לבחינת סוגיות פתוחות ולסלול את הדרך לרפואה מותאמת אישית ואסטרטגיות טיפול חדשניות, כגון ציור מינון RT13,14. עם זאת, הפרשנות של נתונים פרה-קליניים חייבת להתבצע בזהירות, וחסרונות של הגדרות פרה-קליניות אלה צריכים להיחשב 14.
מערכות מיקרו-הקרנה, כגון הפלטפורמה לחקר קרינת בעלי חיים קטנים (SARRP), מצוידות בטכנולוגיות דומות למקבילותן הקליניות. הם כוללים הדמיית CT קרן חרוט (CBCT) על הלוח, מערכת תכנון טיפול פרה-קלינית (PCTPS), ומספקים דיוק תת-מילימטרי. חישובי מינון קליני מבוצעים על ידי תכנון טיפול הפוך, לפיו יוזם מהתפלגות המינון הרצויה כדי לקבוע את הקורות באמצעות אלגוריתם איטרטיבי. מקרינים פרה-קליניים משתמשים לעתים קרובות בתכנון קדימה. בתכנון קדימה, הכמות והזווית הנדרשות של הקורות נבחרות, ולאחר מכן PCTPS מחשב את התפלגות המינון. האופטימיזציה של התוכניות מתבצעת על ידי איטרציה ידנית, שהיא עתירת עבודה15.
לאחר 2009, התפתחויות חדשניות הפכו את יישום התכנון ההפוך בפלטפורמות מחקר אלה לאפשרי16,17,18. כדי להגביר את הדמיון עם השיטה הקלינית, קולימטור מלבני משתנה ממונע (MVC) פותח כמקביל פרה-קליני של הקולימטור מרובה העלים. שיטת ציור מינון דו מימדית המשתמשת בקולימטור משתנה פורסמה על ידי Cho et al.19. קבוצת מחקר זו יישמה פרוטוקול תכנון טיפול הפוך תלת מימדי (3D) על מיקרו-קרינה וקבעה מינונים מינימליים ומקסימליים לנפח היעד ומינון מקסימלי לאיברים בסיכון. טכניקות אלה הוערכו בעיקר בסיליקו, ויש לחקור את היישומים הפרה-קליניים שלהם.
מאמר זה מציג מחקר בסיליקו כדי להשוות בין שתי מתודולוגיות עבור [18F]-פלואורו-אתיל-L-טירוזין ([18F]FET) ציור מינון מבוסס PET במודל עכברוש GB 20,21,222 באמצעות פלטפורמת מחקר קרינה קטנה בבעלי חיים. שתי מתודולוגיות אלה הן (1) הגברת נפח משנה באמצעות גדלי קרן מוגדרים מראש ו -(2) ציור מינון באמצעות קולימטור משתנה ממונע שבו מידות הלסת משתנות בהתבסס על ספיגת מעקב PET בנפח הגידול. [18F] FET הוא נותב PET המשמש לעתים קרובות נוירו-אונקולוגיה בגלל יכולתו לזהות גידולים במוח23. [18F] FET היא חומצת אמינו מלאכותית המופנמת לתאים סרטניים אך אינה משולבת בחלבוני תאים. [18F] ספיגת FET תואמת את קצב התפשטות התאים, צפיפות תאי הגידול ואנגיוגנזה24. מכיוון שזהו המעקב האונקולוגי הנפוץ ביותר של המוח האונקולוגי PET במכון של מחברים אלה, רדיוגרף זה נבחר להעריך את זרימת העבודה החדשה.
Protocol
Representative Results
Discussion
מודל GB חולדה לחקות את הטיפול כימותרפיה-קרינה במרפאה לחולי גליובלסטומה תואר בעבר20. בדומה לשיטה הקלינית, CT ו- MRI שולבו במהלך תהליך תכנון הטיפול כדי לקבל הקרנה מדויקת יותר. מיטה רב-מודלית כדי למזער (את תנועת הראש) שימשה כאשר החיה הועברה ממערכת הדמיה אחת לאחרת. לאחר מכן, הדמיית PET נו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להודות לקרן לוקס לוקה על תמיכתה בעבודה זו.
Materials
| Cell culture | |||
| F98 Glioblastoma Cell Line | ATCC | CRL-2397 | https://www.lgcstandards-atcc.org/products/all/CRL-2397 |
| Dulbeco's Modified Eagle Medium | Thermo Fisher Scientific | 22320-030 | |
| Cell culture flasks | Thermo Fisher Scientific | 178883 | 75 cm² |
| FBS | Thermo Fisher Scientific | 10270106 | |
| L-Glutamine | Thermo Fisher Scientific | 25030-032 | 200 mM |
| Penicilline-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-148 | 10,000 U/mL |
| Phosphate-Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 14040-224 | |
| Trypsin-EDTA | Thermo Fisher Scientific | 25300-062 | 0.05% |
| GB Rat Model | |||
| Ball-shaped burr | Foredom | A-228 | 1.8 mm |
| Bone Wax | Aesculap | 1029754 | https://www.aesculapusa.com/en/healthcare-professionals/or-solutions/or-solutions-cranial-closure/hemostatic-bone-wax.html |
| Ethilon | Ethicon | 662G/662H | FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm |
| Fischer F344/Ico crl Rats | Charles River | – | |
| Insulin Syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29 G |
| IR Lamp | Philips | HP3616/01 | |
| Meloxicam (Metacam) | Boehringer Ingelheim | – | 2 mg/mL |
| Micromotor rotary tool | Foredom | K.1090-22 | |
| Micropump system | Stoelting Co. | 53312 | Stoelting Stereotaxic Injector |
| Stereotactic frame | Stoelting Co. | 51600 | |
| Xylocaine (1%, with adrenaline 1:200,000) | Aspen | – | 1%, with adrenaline 1:200,000 |
| Xylocaine gel (2%) | Aspen | – | 2% |
| Animal Irradiation | |||
| Micro-irradiator | X-Strahl | SARRP | Version 4.2.0 |
| Software | X-Strahl | Muriplan | Preclinical treatment planning system (PCTPC), version 2.2.2 |
| Small Animal PET | |||
| [18F]FET | Inhouse made | – | PET tracer; along with Prohance: MRI/PET agent |
| Micro-PET | Molecubes | Beta-Cube | https://www.molecubes.com/b-cube/ |
| Small Animal MRI | |||
| Micro-MRI | Bruker Biospin | Pharmascan 70/16 | https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan.html |
| 30 G Needle for IV injection | Beckton-Dickinson | 305128 | |
| PE 10 Tubing | Instech Laboratories Inc | BTPE-10 | BTPE-10, polyethylene tubing 0.011 x 0.024 in (0.28 x 60 mm), non sterile, 30 m (98 ft) spool, Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA- (800) 443-4227- http://www.instechlabs.com |
| Prohance contrast agent | Bracco Imaging | – | 279.3 mg/mL, gadolinium-contrast agent (along with [18F]FET: MRI/PET agent) |
| Tx/Rx Rat Brain – Mouse Whole Body Volumecoil | Bruker Biospin | – | 40 mm diameter |
| Water-based Heating Unit | Bruker Biospin | MT0125 | |
| Consumables | |||
| Isoflurane | Zoetis | B506 | Anesthesia |
| Insulin Syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29 G |
| Image Analysis | |||
| MATLAB | Mathworks | – | Version R2019b |
| PMOD | PMOD technologies LLC | Preclinical and molecular imaging software |
References
- Louis, D. N., et al. The 2016 World Health Organization classification of tumors of the central nervous system: a summary. Acta Neuropathologica. 131 (6), 803-820 (2016).
- Wadajkar, A. S., et al. Tumor-targeted nanotherapeutics: Overcoming treatment barriers for glioblastoma. Wiley Interdisciplinary Reviews. Nanomedicine & Nanobiotechnology. 9 (4), (2016).
- Lim, M., Xia, Y., Bettegowda, C., Weller, M. Current state of immunotherapy for glioblastoma. Nature Reviews. Clinical Oncology. 15 (7), 422 (2018).
- McGranahan, T., Li, G., Nagpal, S. History and current state of immunotherapy in glioma and brain metastasis. Therapeutic Advances in Medical Oncology. 9 (5), 347-368 (2017).
- Stupp, R., et al. Radiotherapy plus concomitant and adjuvant temozolomide for glioblastoma. The New England Journal of Medicine. 352 (10), 987-996 (2005).
- Von Neubeck, C., Seidlitz, A., Kitzler, H. H., Beuthien-Baumann, B., Krause, M. Glioblastoma multiforme: Emerging treatments and stratification markers beyond new drugs. The British Journal of Radiology. 88 (1053), 20150354 (2015).
- Mann, J., Ramakrishna, R., Magge, R., Wernicke, A. G. Advances in radiotherapy for glioblastoma. Frontiers in Neurology. 8, 748 (2018).
- Ling, C. C., et al. Towards multidimensional radiotherapy (MD-CRT): Biological imaging and biological conformality. International Journal of Radiation Oncolology, Biology, Physics. 47 (3), 551-560 (2000).
- Bentzen, S. M., Gregoire, V. Molecular imaging-based dose painting: a novel paradigm for radiation therapy prescription. Seminars in Radiation Oncology. 21 (2), 101-110 (2011).
- Bentzen, S. M. Theragnostic imaging for radiation oncology: Dose-painting by numbers. The Lancet. Oncology. 6 (2), 112-117 (2005).
- Wong, J., et al. High-resolution, small animal radiation research platform with X-ray tomographic guidance capabilities. International Journal of Radiation Oncolology, Biology, Physics. 71 (5), 1591-1599 (2008).
- Van Hoof, S. J., Granton, P. V., Verhaegen, F. Development and validation of a treatment planning system for small animal radiotherapy: SmART-Plan. Radiotherapy and Oncology. 109 (3), 361-366 (2013).
- Verhaegen, F., Granton, P., Tryggestad, E. Small animal radiotherapy research platforms. Physics in Medicine & Biology. 56 (12), 55-83 (2011).
- Butterworth, K. T., Prise, K. M., Verhaegen, F. Small animal image-guided radiotherapy: Status, considerations and potential for translational impact. The British Journal of Radiology. 88 (1045), 20140634 (2015).
- Nasr, A., Habash, A. Dosimetric analytic comparison of inverse and forward planned IMRT techniques in the treatment of head and neck cancer. Journal of the Egyptian National Cancer Institute. 26 (3), 119-125 (2014).
- Matinfar, M., Iyer, S., Ford, E., Wong, J., Kazanzides, P. Image guided complex dose delivery for small animal radiotherapy. IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro. , 1243-1246 (2009).
- Matinfar, M., Iordachita, I., Wong, J., Kazanzides, P. Robotic delivery of complex radiation volumes for small animal research. IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 2056-2061 (2010).
- Balvert, M., et al. A framework for inverse planning of beam-on times for 3D small animal radiotherapy using interactive multi-objective optimisation. Physics in Medicine & Biology. 60 (14), 5681-5698 (2015).
- Cho, N. B., Wong, J., Kazanzides, P. Dose Painting with a Variable Collimator for the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). The Midas Journal. , 1-8 (2014).
- Bolcaen, J., et al. MRI-guided 3D conformal arc micro-irradiation of a F98 glioblastoma rat model using the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). Journal of Neuro-oncology. 120 (2), 257-266 (2014).
- Bolcaen, J., Descamps, B., Boterberg, T., Vanhove, C., Goethals, I. PET and MRI guided irradiation of a glioblastoma rat model using a micro-irradiator. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (130), e56601 (2017).
- Verhoeven, J., et al. Technical feasibility of [18F]FET and [18F]FAZA PET guided radiotherapy in a F98 glioblastoma rat model. Radiation Oncology. 14 (1), 89 (2019).
- Hutterer, M., et al. FET PET: a valuable diagnostic tool in neuro-oncology, but not all that glitters is glioma. Neuro-oncology. 15 (3), 341-351 (2013).
- Stockhammer, F., Plotkin, M., Amthauer, H., Landeghem, F. K. H., Woiciechowsky, C. Correlation of F-18-fluoro-ethyl-tyrosin uptake with vascular and cell density in non-contrast-enhancing gliomas. Journal of Neuro-oncology. 88 (2), 205-210 (2008).
- . Mricron dicom to nifti converter. neuroimaging informatics tools and resources clearinghouse (nitrc) Available from: https://www.nitrc.org/projects/mricron (2015)
- . SPM12 Manual Available from: https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/doc/spm12_manual.pdf (2014)
- España, S., Marcinkowski, R., Keereman, V., Vandenberghe, S., Van Holen, R. DigiPET: Sub-millimeter spatial resolution small-animal PET imaging using thin monolithic scintillators. Physics in Medicine & Biology. 59 (13), 3405-3420 (2014).
