Positron Emission Tomography-based Dose Radiation Therapy em um modelo de rato glioblastoma usando a plataforma de pesquisa de radiação animal de pequeno porte

Summary

Aqui apresentamos um protocolo para realizar radioterapia baseada em tomografias pré-pêtrons em um modelo de glioblastoma de ratos usando algoritmos desenvolvidos internamente para otimizar a precisão e eficiência.

Abstract

Um modelo de glioblastoma de rato para imitar o tratamento de quimioterapia-radiação do glioblastoma humano na clínica foi previamente estabelecido. Semelhante ao tratamento clínico, tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (RM) foram combinadas durante o processo de planejamento do tratamento. A tomografia de emissão de pósitrons (PET) foi posteriormente adicionada para implementar o aumento de sub volume usando um sistema de microrraseamento. No entanto, a combinação de três modalidades de imagem (TC, Ressonância Magnética e PET) utilizando um sistema de microdiadistração mostrou-se trabalhosa, pois a imagem multimodal, o planejamento do tratamento e a entrega de doses devem ser concluídas sequencialmente no ambiente pré-clínico. Isso também resulta em um fluxo de trabalho mais propenso a erros humanos. Portanto, foi implementado um algoritmo fácil de usar para otimizar ainda mais o planejamento de tratamento de radiação multimodal pré-clínico baseado em imagens. Esta ferramenta de software foi utilizada para avaliar a precisão e eficiência da radioterapia de pintura de doses com micro-irradiação usando um projeto de estudo em silico . A nova metodologia para a radioterapia de pintura de doses é superior ao método descrito anteriormente em termos de precisão, eficiência de tempo e variabilidade intra e interusativa. É também um passo importante para a implementação do planejamento inverso do tratamento em micro-irradiadores, onde o planejamento futuro ainda é comumente utilizado, em contraste com os sistemas clínicos.

Introduction

Glioblastoma (GB) é um tumor cerebral primário maligno e muito agressivo. Gb é um tumor heterogêneo sólido tipicamente caracterizado por limites infiltrados, atypia nuclear e necrose1. A presença da barreira hemato-cerebral e do estado cerebral como um local imuno-privilegiado torna a descoberta de novos alvos para quimioterapia e imunoterapia uma tarefa assustadora2,3,4. Vale ressaltar que o tratamento de pacientes com GB mal mudou desde a introdução, em 2005, do protocolo Stupp que combina radioterapia de feixe externo (RT) com temozolomide concomitante, geralmente seguido por temozolomide adjuvante5. Normalmente, o protocolo Stupp é precedido por ressecção cirúrgica máxima. Portanto, abordagens alternativas de tratamento são de fundamental importância.

A radioterapia atual para pacientes com glioblastoma fornece uma dose uniforme de radiação ao volume do tumor definido. Na oncologia da radiação, há uma importante correlação dose-resposta para glioblastoma com dose crescente, que parece limitar cerca de 60 Gy, devido ao aumento da toxicidade ao cérebro ^normal6,7. No entanto, os tumores podem ser muito (radiobiologicamente) heterogêneos, com gradientes de nível de oxigênio e/ou grandes diferenças na densidade celular. Técnicas de imagem metabólica, como o PET, podem visualizar essas características biológicas e podem ser utilizadas para personalizar a prescrição de dose. Esta abordagem é conhecida como pintura de dose RT. Este termo foi introduzido por Ling et al. em 2000. Os autores definiram a pintura de dose RT como produzindo “distribuições de dose requintadamente conformais dentro das restrições de propagação e dispersão de radiação”⁸.

Existem dois tipos de pintura de dose RT, pintura de dose por contornos (DPBC), pelo qual uma dose é prescrita para um conjunto de sub-volumes aninhados, e pintura de dose por números (DPBN), pelo qual uma dose é prescrita no nível voxel. A distribuição de dose para DPBN RT pode ser extraída de imagens funcionais. A dose em cada voxel é determinada pela intensidade I do voxel correspondente na imagem, com um limite inferior e superior, para garantir que, por um lado, uma dose suficiente seja entregue a cada parte do tumor. Por outro lado, as doses não excedem um limite superior para proteger órgãos em risco e evitar a toxicidade. O método mais simples é uma interpolação linear (ver Eq. 1) entre a dose mínima _Dmin e a dose máxima _Dmax, variando proporcionalmente entre intensidade mínima _Imax e intensidade máxima dentro do volume ^alvo9,10

Eq. 1

Como há algum ceticismo sobre a garantia de qualidade do DPBN RT, a deposição da dose deve ser verificada através de pesquisas pré-clínicas10. No entanto, apenas dados limitados podem ser adquiridos a partir de ensaios clínicos, e tem sido hipótese de que mais insights podem ser obtidos por downscaling para animais de ^{laboratório11,12}. Assim, estudos pré-clínicos utilizando plataformas de pesquisa de radiação guiadas por imagem de precisão que permitem o acoplamento com algumas técnicas muito específicas, como a autoradiografia, são adequados para examinar questões abertas e abrir caminho para a medicina personalizada e novas estratégias de tratamento, como a pintura de doses ^RT13,14. No entanto, a interpretação dos dados pré-clínicos deve ser realizada com cautela, e as desvantagens dessas configurações pré-clínicas devem ser ^{consideradas14}.

Sistemas de microdia irradiação, como a Small Animal Radiation Research Platform (SARRP), são equipados com tecnologias semelhantes às suas contrapartes clínicas. Eles incluem imagens ct de feixe de cone a bordo (CBCT), um sistema de planejamento de tratamento pré-clínico (PCTPS), e fornecem precisão submilímetro. Os cálculos de dose clínica são realizados pelo planejamento do tratamento inverso, pelo qual se inicia a partir da distribuição de dose desejada para determinar os feixes através de um algoritmo iterativo. Irradiadores pré-clínicos geralmente usam planejamento avançado. No planejamento futuro, a quantidade e o ângulo necessários das vigas são selecionados e, em seguida, o PCTPS calcula a distribuição da dose. A otimização dos planos é realizada por iteração manual, que é intensiva em mão-de-obra15.

Após 2009, novos desenvolvimentos tornaram possível a implementação do planejamento inverso dessas plataformas de pesquisa16,17,18. Para aumentar a semelhança com o método clínico, um colmíador retangular variável motorizado (MVC) foi desenvolvido como uma contrapartida pré-clínica do colmíador de várias folhas. Um método de pintura de dose bidimensional utilizando um colmíador variável foi publicado por Cho et ^al.19. Este grupo de pesquisa implementou um protocolo de planejamento de tratamento inverso tridimensional (3D) em um micro-irradiador e determinou doses mínimas e máximas para o volume alvo e uma dose máxima para os órgãos em risco. Essas técnicas têm sido avaliadas principalmente em sílico, e suas aplicações pré-clínicas precisam ser exploradas.

Este artigo apresenta um estudo em silico para comparar duas metodologias para [^18F]-fluoro-ethyl-L-tyrosine ([^18F]FET) pintura de dose pet em um modelo de rato GB20,21,22 usando uma pequena plataforma de pesquisa de radiação animal. Estas duas metodologias são (1) aumento de sub volume usando tamanhos de feixe predefinidos e (2) pintura de dose usando um colômulo variável motorizado onde as dimensões da mandíbula são modificadas com base na absorção do rastreador PET no volume do tumor. [^18F] FET é um rastreador PET frequentemente usado em neuro-oncologia devido à sua capacidade de detectar tumores ^cerebrais23. [^18F] FET é um aminoácido artificial que é internalizado em células tumorais, mas não incorporado em proteínas celulares. [^18F] A absorção de FET corresponde à taxa de proliferação celular, densidade celular tumoral e angiogênese24. Como este é o rastreador PET cerebral oncológico mais utilizado no instituto desses autores, este radiotracer foi escolhido para avaliar o novo fluxo de trabalho.

Protocol

O estudo foi aprovado pelo comitê de ética local para experimentos em animais (ECD 18/21). O monitoramento da anestesia é realizado através da aquisição da taxa respiratória dos animais por meio de um sensor. 1. Modelo de célula de rato F98 GB Cultura as células F98 GB em uma monocamada usando o Medium De Águia Modificada de Dulbecco, complementada com 10% de soro de bezerro, 1% penicilina, 1% estreptomicina e 1% L-glutamina, e colocá-las em uma incubadora de CO2</su…

Representative Results

A viabilidade da irradiação guiada por PET e ressonância magnética em um modelo de rato glioblastoma utilizando o SARRP para imitar a estratégia de tratamento humano foi descrita anteriormente20,21,22. Enquanto o animal foi fixado em um leito de multimodalidade feito internamente, foi possível criar um plano de tratamento de radiação aceitável combinando três modalidades de imagem: PET, Ressonância Magnética e TC. Ne…

Discussion

Um modelo gb de rato para imitar o tratamento de quimioterapia-radiação na clínica para pacientes com glioblastoma foi descrito ^{anteriormente20}. Semelhante ao método clínico, a TC e a ressonância magnética foram combinadas durante o processo de planejamento do tratamento para obter irradiação mais precisa. Uma cama multimodalidade para minimizar o movimento (cabeça) foi usada quando o animal foi movido de um sistema de imagem para outro. Posteriormente, a imagem PET foi adicionada ao pro…

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