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.
Teknologiske forbedringer i strålebehandling (RT) planlægning og levering nu mulighed for meget konforme terapeutiske doser, der skal leveres til tumoren regionen, samtidig skåne normale omgivende strukturer. Alligevel akutte og til tider alvorlige toksiciteter er uundgåelige, når høj dosis -målet er tæt på huden. Hvis alvorlig nok, kan den resulterende normale vævsskader negativ indvirkning på RT behandlingsresultat og patientens livskvalitet 1,2.
På trods af de skadelige konsekvenser, nuværende ledelse af stråling erythem forbliver uspecifik, beskæftiger cremer eller salver, der ignorerer de underliggende biologiske mekanismer, der fører til skader. Disse tilgange er baseret på at minimere symptomer snarere end årsagen. Desuden er timingen og administration af interventionelle behandlinger kompliceres af den kvalitative og subjektive karakter af vurderingen stråling hud skade. Mens flere anerkendteorganisationer (RTOG, EORTC) giver visuel klassificering anbefalinger, institutioner varierer i deres valg af foretrukne scoring og dermed tilslører sammenligninger af normale væv toksicitet med henblik på metaanalyser. Endvidere sådanne klassificering systemer er rå og tilbøjelige til inter-observatør variation, således at forskelle i stråling skade sværhedsgrad kan være umærkelig i studier, der evaluerer strategier til reduktion af toksicitet.
Snarere end visuelt beskriver graden af erytem i bestrålet hud, en alternativ fremgangsmåde er at måle parametre, der kvantitativt beskriver de underliggende fysiologiske forandringer, der sker i organet. Blodets hæmoglobin (Hb), vævsoxygenmætning (STO 2) eller oxygeneret hæmoglobin (oxyHb) niveauer er blevet anvendt som stedfortrædere for bestråling-induceret erytem hos mus 3-6. Efter bestråling total Hb niveauer undergår udsving, men oxyHb eller STO 2 underkastes en karakteristisk tidlig kraftig stigning, efterfulgt af enfalde, og en anden mere vedholdende stigning 3,6. Når der anvendes irritanter at inducere erythem, vaskulære oxyHb niveauer direkte korrelerer med sværhedsgraden af den lokale erytem og inflammation 7.
Diffus optisk spektroskopi (DOS) beskæftiger nær-infrarødt lys til at give funktionel information om de biokemiske og mikrostrukturelle komponenter af vitale væv komponenter. Dette kvantitative, ikke-invasiv optisk teknologi giver en metode til at måle cytokin-induceret vasodilation i blodkar, der opstår under erytem via funktionelle surrogater for Hb-koncentration og STO 2. Nylige undersøgelser, der sammenligner DOS målte parametre med kontrollerede kliniske scoring metoder 8-11 indikerer potentialet i teknik til at overvinde de iboende begrænsninger for nuværende klassificering systemer.
Her beskriver vi en in-house, bærbare, DOS system, der anvender funktionelle surrogater for kvantitativt DETEcting forskelle i strålingsinduceret hud toksicitet i en præklinisk musemodel 5. Den beskrevne platform kan give et middel til standardiseret erythema scoring med høj følsomhed til tidlig opdagelse og subtil differentiering af interventionel lægemiddelrespons. Desuden med kun mindre tilpasninger, instrumenteringen kan i sidste ende være ansat klinisk for real-time bedside monitorering.
En DOS metode til kvantitativ vurdering af stråling hud toksiciteter anvender optiske biomarkører er blevet præsenteret. Visuelle hud toksicitet pointsystemer kræver ekspert uddannelse og selv da er tilbøjelige til at inter-observatør variation og subjektivitet. DOS-systemet og analyse software er enkel at bruge, kræver minimal træning og returnerer objektive funktionelle parametre for at fortolke fysiologiske forandringer i huden. Desuden stedet for at beskrive udseendet af en hud læsion som en enkelt parameter, DOS giver, et væld af oplysninger i spektral form, optiske egenskaber og funktionelle / mikrostrukturelle parametre, der tilbyder en ekstra grad af følsomhed og specificitet ikke tilgængelig i de nuværende kvalitative scoring metoder. §§ 1 og 7 fremhæve de vigtigste forarbejdningstrin for at opnå absolutte spektrale data, der kan anvendes til kvantitativ montering af optiske biomarkører. Baggrund og baseline subtraktion er afgørende for at tillade brugeren at udføreDOS målingerne under normale lysforhold. Afsnit 8 giver de nødvendige modeller og ligninger er nødvendige for at beskrive athymiske mus før og efter røntgenbestråling. Her er valget af passende absorbere er afgørende for en nøjagtig beskrivelse af den målte spektre. Det anbefales, at brugeren grundigt undersøge i litteraturen de vigtigste absorbenter, der dominerer bølgelængdeområdet og væv af interesse anvendes i en given undersøgelse forud for konstruere en optisk biomarkør fitting model. Endelig §§ 3-5 beskriver håndtering af athymiske mus under DOS erhvervelse. For at undgå at forstyrre den lokale vaskulatur, bruge blide kraft til at placere DOS sonden på musen hudoverfladen.
Mens relativt billig sammenlignet med hyperspektrale kamerasystemer 3,4, en klar begrænsning af den beskrevne DOS fremgangsmåde er anvendelsen af et punkt sonde til måling diffus reflektans. Denne reflektans geometri fornødenheder blid berøring med huden oghar potentialet til at indføre måleusikkerheden ved dispergering vaskulaturen hvis konsekvente probe-hud tryk ikke anvendes. Fremtidige design af DOS probe kan omfatte en trykføler til at opretholde ensartede resultater. Medens anvendelsen af tæt source-detektor separation (<2-3 mm) muliggør optiske probing dybder specifikke til hudoverfladen, den forbedret specificitet kommer på et tab af rumlig opløsning sammenlignet med 2D hyperspektral billeddannelse. For at minimere denne begrænsning, 5 point kvadrant scanning, der fanger den samlede bestrålede volumen blev ansat. På trods af den manglende geografiske opløsning, har tidligere arbejdet i mus 5 vist evne optiske biomarkører i gennemsnit over en sparsom område at skelne ikke blot bestrålet og ikke-bestrålet hud, men også virkningen af huden besparende interventionelle stoffer som Vasculotide 6.
Det skal bemærkes, at mens det samlede system design kan modificeres til forskellige hud modeller, kan den underliggende basis spektre og spredende form skal optimeres. Specifikt mens oxy- og deoxy-Hb godt beskrive en athymisk musemodel, anvendelsen af den samme model til mørkere hud kan kræve tilsætning af melanin for optimal tilpasning. Desuden udvidelse af DOS båndbredde til højere bølgelængder> 950 nm ville nødvendiggøre tilsætning af vand, der dominerer ved højere bølgelængder. Endvidere kan dyremodeller med forskellige hud tykkelser kræver en anden kilde-detektor adskillelse for at optimere dybde følsomhed. Endelig den hårløse funktion gør algoritmer enklere. Selv ikke-hårløse modeller kan være optimalt for visse forskningsspørgsmål, vil de kræve hårfjerning før DOS-målinger, og hudirritation fra denne proces kan påvirke resultaterne. Til forskning hvor samlet immunfunktion er afgørende, et immunkompetente hårløse mus (f.eks SKH-1) kan tjene som en bedre model grundet dens euthymiske karakter.
ent "> Vigtige overvejelser for DOS probe målinger er konsekvent RT og estimering af det bestrålede område. Temperatur udsving kan påvirke væv Hb og STO 2 niveauer. Måling en gruppe på 3 ikke-bestrålede dyr på hver dataindsamling gang kan tjene som en baseline til som utilsigtede miljømæssige udsving i parameterværdier kan normaliseres. Derudover kan det bestrålede område være svært at estimere (hvis huden flap præparater ikke var i overensstemmelse) før skaden begynder at manifestere visuelt omkring dag 5 (40 Gy). Hvis du bruger sort permanent markør til dot grænserne for stråling-eksponeret hud, undgå overdreven brug blæk for at forhindre, at blækket udtværes, som kan kompromittere aflæsninger.En ekstra funktion i systemet er evnen til at adskille absorption fra lysspredende egenskaber. Mens alternative hyperspektrale billeddannelse også give mulighed for at overvåge oxyHb og Hb-koncentration, den frie plads geometri hyperspektral imaging i s stand til at løse spredning ændringer. Denne begrænsning kan medføre unøjagtigheder i den returnerede oxyHb, Hb og STO 2 parametre, hvis der opstår væsentlige ændringer i spredning på grund af erytem (rødme). Endvidere kan overvågning af spredning ændringer ved hjælp DOS give yderligere optiske biomarkører for erythema evaluering. Som vist i figur 6, de første resultater fra Yohan et al. (2014) viser, at A og k demonstrere en tidsmæssig tendens følgende ioniserende stråling, der ikke korrelerer med tendenser fra andre alternative metoder såsom visuelle pointsystemer. Dette indikerer, at spredende ændringer ikke manifestere i en visuelt beskrivende måde og faktisk kan beskrive en særskilt biologisk proces. Derfor sammenlignet med alternative metoder, DOS giver en høj opløsning til overfladiske scattering ændringer, en vej til at undersøge nye hudskader biomarkører, der kan være adskilt fra de sædvanlige Hb-baserede målinger.
jove_content "> Selvom vores model anvender en stor enkelt strålingsdosis (snarere end flere små fraktionerede doser, der anvendes i kliniske omgivelser) Dette efterligner patofysiologien af akutte menneskelig hud radiotoksiciteten 21. Det forudses, at med yderligere optimering, kan DOS tilvejebringe en kvantitativ tilgang til automatiseret og standardiseret scoring af stråling fremkaldt hudreaktioner. efter mastering denne teknik, kan fremtidige applikationer omfatte overvågning forskelle mellem hud besparende lægemidler (fx sammenligner oxyHb niveauer mellem en kontrol og eksperimentel behandling for hud radiobeskyttelse, eller til sårheling forfremmelse ). Mens ideelt til high-throughput lægemiddel-screening i dyremodeller, DOS-systemet er potentielt tilpasses det kliniske miljø som følge af lette anvendelighed og evnen til at måle under normale lysforhold. i dette tilfælde kan proben design kræve mindre modifikationer med lidt større optode separationer at tage højde forden forøgede tykkelse af den menneskelige hud. En klinisk DOS system vil give mulighed for on-line evaluering af interventionelle terapier, der kunne minimere smertefulde hudreaktioner og forbedre patientens komfort og compliance. I fremtiden kan det være interessant at udvide DOS-baserede kvantificering til funktionerne i kronisk strålingsinduceret beskadigelse af huden (f.eks fibrose).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 |