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.
在放射治疗(RT)的规划和交付技术改进现在允许高度保形治疗剂量被递送至肿瘤区域,同时不放过正常周围的结构。然而,当高剂量目标是在靠近皮肤的急性和有时严重毒性是不可避免的。如果足够严重,由此产生的正常组织的损伤可在RT治疗效果和生命1,2病人的生存质量产生负面影响。
尽管有害后果,放射性皮肤红斑目前管理仍然是特异性的,用人忽视导致损坏底层的生物机制药膏或软膏。这些方法是基于减少的症状,而不是原因。此外,介入治疗的时间和施用通过辐射皮肤损伤评估的定性和主观性质复杂。虽然一些认可组织(RTOG,EORTC)提供可视化分级的建议,机构在选择首选的得分有所不同,从而掩盖了荟萃分析的目的正常组织的毒性比较。此外,这种分级系统是原油和容易出现跨观察员变异,使得辐射损伤的严重程度差异可能是在研究评价毒性削减战略分辨。
而不是视觉上描述照射皮肤红斑的程度,另一种方法是测量定量描述发生在器官底层生理变化的参数。血液中的血红蛋白(Hb)的,组织氧饱和度(STO 2)或氧化血红蛋白(oxyHb)水平已被用作代理对小鼠3-6射线诱导的红斑。以下的照射下,总Hb水平经受波动,但oxyHb或氧含量2经历一个特性早急剧上升,接着下跌,另一种更持续上升3,6。当刺激物是用来诱发皮肤红斑,血管oxyHb水平直接与局部红斑和炎症7的严重程度相关。
漫射光光谱(DOS)的使用近红外光,以提供对重要组织成分的生化和微观结构元件的功能的信息。这个定量的,非侵入性的光学技术提供以测量经由Hb浓度和STO 2的功能替代物红斑期间发生血管细胞因子诱导的血管扩张的方法。与对照的临床评分方法8-11比较DOS测量参数最近的研究表明该技术的潜力用于克服固有的限制,以当前分级 系统。
在这里,我们描述了一个内部的,可移植的,DOS系统,该系统采用功能性替代物定量DETE在辐射诱发的皮肤毒性电视机的差异在临床前小鼠模型5。所述平台可以提供与早期检测和介入药物反应的细微差异,灵敏度高标准化红斑计分的手段。此外,只有轻微的修改,该仪器可能最终在临床上用于实时床边监控使用。
定量评估使用光学生物标志物辐射皮肤毒性一个DOS方式已经呈现。视觉皮肤毒性评分系统需要专业的培训,即使这样很容易发生间观察员变性和主观性。 DOS系统和分析软件使用简单,只需要很少的培训和解释在皮肤的生理变化返回目标函数的参数。此外,代替描述皮肤损伤的外观作为一个单一的参数,在DOS提供了丰富的信息在频谱形状,光学性质和功能性/微结构参数,提供灵敏度和特异性在当前定性评分方法没有可用的附加的程度。节1和7突出用于获得可用于光生物标志物的定量嵌合绝对频谱数据的主要处理步骤。背景和基线减法是至关重要的,以允许用户执行在DOS测量正常光照条件下。部分8提供了必要的模型和前和X射线照射后描述无胸腺小鼠所需方程。这里,合适的吸收剂的选择是对所测量的光谱的精确描述是至关重要的。这是建议用户在文献彻查主宰的波长范围,并在一个特定的研究构建一个光学生物标志物的拟合模型之前使用的兴趣组织的主要吸收。最后,第3-5节描述DOS采集过程中裸鼠的处理。为了避免破坏当地的血管,用温柔的力量来放置DOS探头小鼠皮肤表面。
虽然相比于高光谱摄像系统3,4相对便宜,所描述的DOS方式的明确限制是用来测量漫反射使用点探针。这种反射几何生活必需品与皮肤接触的温柔和有通过,如果不采用一致的探针肌肤压力脉管分散引入测量不确定度的潜力。在DOS探头的未来设计可结合有压力传感器,以保持一致的结果。此外,当使用靠近源 – 检测器间隔(<2-3毫米)的允许特定于皮肤表面的光学探测深度,改进的特异性正值相比二维超光谱成像的空间分辨率的损失。为了减少这种限制,有5点扫描象限捕捉整体照射体积使用。尽管缺乏空间分辨率,在小鼠中5以前的工作已经表明光生物标志物的能力平均的稀疏区域区分不仅照射和未照射的皮肤上,同时保留皮肤介入药物如Vasculotide 6的影响。
应当指出的是,虽然整个系统的设计可以被修改为不同的皮肤模型,根据光谱底层和散射形状可能需要进行优化。具体地说,在氧和脱氧血红蛋白以及描述一个无胸腺小鼠模型中,相同的模型向深色皮肤的应用可能需要增加黑色素的最佳拟合。此外,在DOS的扩展带宽更高波长> 950nm的将需要添加水,其中占主导地位在更高的波长。另外,动物模型具有不同的皮肤厚度可能需要不同的源 – 检测器分离,以优化深度灵敏度。最后,毛功能使得算法简单。虽然非无毛模型可能是最佳的某些研究问题,他们将需要的DOS测量之前脱毛,以及由该方法对皮肤的刺激会影响结果。为研究,其中总的免疫功能是至关重要的,免疫活性无毛小鼠( 例如,SKH-1)可作为一个更好的模型由于其euthymic性质。
耳鼻喉科“>用于DOS探针测量的重要考虑因素是一致的RT和照射区域的估计。温度的波动会影响组织的Hb和STO 2级。每一个数据采集时间测量的一组3个非辐照的动物可以用作基线这在参数值意外环境波动可以被归一化,另外,被照射的区域可以是难以估计(如果皮瓣制剂并不一致)损伤开始表现视觉约5天(40戈瑞)之前,如果使用黑色永久标记点的辐射暴露的皮肤的界限,避免过多的油墨使用以防止墨水弄脏,这可能会危及读数。该系统的另外一个特点是,以从散射性质分离的吸收的能力。而替代高光谱成像系统还提供监测oxyHb和Hb浓度,超光谱成像i的自由空间几何的能力 Ş无法解决散射的变化。此限制可能会导致在返回oxyHb,血红蛋白不准确和STO 2参数如果散射显著变化的发生是由于红斑(发红)。另外,使用DOS的散射变化的监测可以提供用于红斑评估附加的光学生物标志物。 如图6中所示,来自勒芒等人 (2014)的初步结果表明,和k证明以下不与从其他替代方法观察到的趋势,如视觉评分系统关联电离辐射的时间的趋势。这表明散射变化不会在视觉上描述的方式体现和实际上可以描述一个单独的生物过程。因此,相对于其他方法,在DOS为浅散射变化的分辨率高,对调查新颖的皮肤损伤的生物标记物可能是从通常的基于血红蛋白测量单独的途径。
jove_content“>虽然我们的模型使用(即在临床上使用,而不是多个较小分馏剂量)大单辐射剂量,这模仿急性人类皮肤放射毒性21的病理生理学。可以设想,与进一步的优化,DOS可能提供对辐射引起的皮肤反应的自动化,标准化得分定量方法。掌握这一技术后,未来的应用可能包括监控保留皮肤的治疗方法之间的差异( 例如,皮肤辐射防护控制和实验性治疗之间的比较oxyHb水平,或伤口愈合推广),而理想的动物模型中的高通量药物筛选,DOS系统可能是适应于临床环境由于容易使用性和在正常光照条件下,测量的能力,在这种情况下,探头设计可能需要小的修改用稍大光极分离占人的皮肤的厚度增加。临床DOS系统将允许介入疗法,能最大限度地减少痛苦的皮肤反应,提高患者的舒适度和遵守的在线评估。在将来,有可能是有趣的,扩大的基于DOS的量化到的慢性辐射诱导的皮肤损伤( 例如,纤维化)的功能。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 |