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) planlegging og levering åpner for svært konforme terapeutiske doser som skal leveres til svulsten regionen, samtidig skåner normale omkringliggende strukturer. Likevel, akutte og noen ganger alvorlig toksisitet er uunngåelig når den høye dosen målet er i umiddelbar nærhet til huden. Ved alvorlig nok, kan den resulterende normal vevsskade negativt påvirke RT behandlingsresultatet og pasientens livskvalitet 1,2.
Til tross for de uheldige konsekvenser, nåværende ledelsen av stråling huderytem fortsatt uspesifikke, ansette kremer eller salver som ignorerer de underliggende biologiske mekanismene som fører til skade. Disse fremgangsmåtene er basert på å minimal symptomer snarere enn årsaken. Videre er timingen og administrering av intervensjonene terapier komplisert ved den kvalitative og subjektive natur av stråling hud skade vurdering. Mens flere anerorganisasjoner (RTOG, EORTC) gir visuelle sorterings anbefalinger, institusjoner varierer i sine valg av foretrukne score, og dermed skjuler sammenligninger av normalt vev toksisitet med henblikk på meta-analyser. Videre slike klassifiseringssystemer er råolje og utsatt for inter-observatør variasjon, slik at forskjeller i strålingsskadegrads kan være umerkelig i studier som evaluerte toksisitet reduserende strategier.
I stedet for å visuelt å beskrive graden av erytem i bestrålt hud, er en alternativ metode for å måle parametere som beskriver kvantitativt den underliggende fysiologiske endringer som oppstår i organet. Blood hemoglobin (Hb), vev oksygenmetning (STØ 2) eller oksygenert hemoglobin (oxyHb) nivåer har blitt brukt som proxyer for bestråling-indusert erytem hos mus 3-6. Etter bestråling, total Hb-nivåer gjennomgå svingninger, men oxyHb eller Sto para gjennomgå en karakteristisk tidlig kraftig økning, etterfulgt av enhøsten og en annen mer langvarig oppgang 3,6. Når irritanter blir brukt til å indusere huderytem, vaskulære oxyHb nivåer direkte korrelerer med graden av lokal erythem og inflammasjon 7.
Diffus optisk spektroskopi (DOS) anvender nær-infrarødt lys for å tilveiebringe funksjonell informasjon om biokjemiske og mikrostruktur komponenter av vitale vev komponenter. Denne kvantitative, ikke-invasiv optisk teknologi tilbyr en metode for å måle den cytokin-induserte vasodilatasjon i blodkar som forekommer i løpet av erytem via funksjonelle surrogater av Hb-konsentrasjon og STO 2. Nyere studier som sammenligner DOS målte parametere med kontrollerte kliniske telling 8-11 indikerer potensialet av teknikken for å overvinne de begrensningene som ligger i dagens gradering systemer.
Her beskriver vi en in-house, bærbar, DOS system som benytter funksjonelle surrogater for kvantitativt Detecting forskjeller i stråling-indusert hud toksisitet i en pre-klinisk musemodell fem. Den beskrevne plattform kan være et middel for standardisert erytem scoring med høy følsomhet for tidlig oppdagelse og subtil differensiering av intervensjons narkotika respons. Dessuten, med bare mindre tilpasninger, instrumenteringen etter hvert kan brukes klinisk for sanntids sengen overvåking.
En DOS tilnærming for kvantitativ vurdering av stråling hud toksisitet bruker optisk biomarkører har blitt presentert. Visuelle hud toksisitet scoring systemer krever ekspert opplæring og selv da er utsatt for inter-observatør variabilitet og subjektivitet. Systemet og analyse programvare DOS er enkel å bruke, krever minimal opplæring og returnerer objektive funksjonelle parametere for å tolke fysiologiske endringer i huden. Videre, i stedet for som beskriver utseendet av en hud lesjon som en enkelt parameter, gir DOS en mengde informasjon i spektral form, optiske egenskaper og funksjonelle / mikrostruktur parametre som gir en ekstra grad av sensitivitet og spesifisitet ikke er tilgjengelige i dagens kvalitative telling. §§ 1 og 7 markere de viktigste behandlingstrinn for å få absolutte spektrale data som kan benyttes for kvantitativ montering av optiske biomarkører. Bakgrunn og baseline subtraksjon er avgjørende for å tillate brukeren å utføreDOS målinger under normale lysforhold. § 8 gir den nødvendige modeller og ligninger for å beskrive atymiske mus før og etter røntgenbestråling. Her er valget av riktige dempere avgjørende for en nøyaktig beskrivelse av den målte spektra. Det anbefales at brukeren grundig undersøke i litteraturen viktige dempere som dominerer bølgelengdeområdet og vev av interesse brukes i en gitt studie før konstruere en optisk biomarkør passende modell. Til slutt, §§ 3-5 beskrive håndteringen av atymiske mus under DOS oppkjøpet. For å unngå å forstyrre den lokale blodkar, bruke milde kraft for å plassere DOS sonde på musen hudoverflaten.
Selv om forholdsvis billig sammenlignet med hyperspektral kamerasystemer 3,4, en klar begrensning av den beskrevne DOS metode er bruken av et punkt sonde for å måle diffus reflektans. Dette refleksjon geometri nødvendig milde kontakt med huden oghar potensial til å innføre måleusikkerhet ved å dispergere den vaskulaturen hvis konsistent sonde-hud trykk ikke anvendes. Fremtidige design av DOS sonden kan omfatte en trykkføler for å opprettholde konsistente resultater. Videre, mens bruk av nær kilde-detektor avstanden (<2-3 mm) gjør det mulig for optiske dybder Verifiserer spesifikke for hudens overflate, kommer den forbedrede spesifisitet ved et tap av romlig oppløsning sammenlignet med 2D hyperspektralt avbildning. For å minimere denne begrensningen, en 5 punkt kvadrant scan som fanger opp den generelle bestrålte volum ble ansatt. Til tross for mangel på romlig oppløsning, har tidligere arbeid i mus 5 vist evne av optiske biomarkører gjennomsnitt over et tynt område for å skille ikke bare bestrålte og ikke-bestrålte huden, men også virkningen av hud sparsom intervensjons medikamenter slik som Vasculotide 6.
Det skal bemerkes at mens den totale systemdesign kan modifiseres for forskjellige hud -modeller, kan den underliggende basis-spektra og spredning av formen må være optimalisert. Nærmere bestemt, mens oksy- og deoksy-Hb vel beskrive en atymisk mus modell, anvendelse av den samme modell til mørkere hud kan kreve tilsetning av melanin for optimal tilpasning. I tillegg har forlengelsen av DOS båndbredde til høyere bølgelengder> 950 nm ville nødvendiggjøre tilsetning av vann, som dominerer ved høyere bølgelengder. Videre kan dyremodeller med forskjellige tykkelser hud krever en annen kilde-detektor avstanden for å optimalisere dybdefølsomhet. Til slutt, gjør den hårløse funksjonen algoritmer enklere. Selv om ikke-hårløse modeller kan være optimal for enkelte forskningsspørsmål, vil de kreve hårfjerning før DOS målinger, og hudirritasjon fra denne prosessen kan påvirke resultatene. For forskning hvor total immunfunksjon er avgjørende, en immunkompetente hårløse mus (f.eks SKH-1) kan tjene som en bedre modell på grunn av sin euthymic natur.
ent "> Viktige hensyn for DOS sondemålingene er konsistente RT og estimering av det bestrålte området. Temperatursvingninger kan påvirke vev Hb og STO 2 nivåer. Måling en gruppe 3 ikke-bestrålte dyr i hver datainnsamling tid kan fungere som baseline til som utilsiktede miljø svingninger i parameterverdier kan normaliseres. i tillegg kan det bestrålte området være vanskelig å anslå (hvis huden klaff forberedelsene ikke var i samsvar) før skaden begynner å manifestere seg visuelt rundt dag 5 (40 Gy). Hvis du bruker svart permanent markør for å dot grensene for stråling-eksponert hud, unngå overdreven blekk bruk for å unngå at blekket smøres utover, noe som kan kompromittere avlesninger.En ekstra funksjon i systemet er evnen til å skille absorpsjon fra spredningsegenskaper. Mens alternative hyperspektral bildesystemer gir også muligheten til å overvåke oxyHb og Hb konsentrasjonen, den frie plass geometrien hyperspektral avbildning i er ute av stand til å løse spredning endringer. Denne begrensningen kan føre til unøyaktigheter i den returnerte oxyHb, Hb og Stø 2 parametre dersom vesentlige endringer i spredning oppstå på grunn av erytem (rødhet). Videre kan overvåking av spredning endringer ved hjelp av DOS gi ytterligere optiske biomarkører for erytem evaluering. Som vist i figur 6, de første resultatene fra Yohan et al. (2014) indikerer at A og k demonstrere en tidsmessig trend følgende ioniserende stråling som ikke korrelerer med trender observert fra andre alternative metoder som visuelle scoring systemer. Dette indikerer at sprednings endringene ikke manifestere seg i et visuelt beskrivende måte og kan faktisk være som beskriver et separat biologisk prosess. Derfor, sammenlignet med alternative metoder, gir DOS en høy oppløsning for overfladiske spredning endringer, en vei for å undersøke nye hudskader biomarkører som kan være atskilt fra de vanlige Hb-baserte målinger.
jove_content "> Selv om modellen anvender en stor enkeltstråledose (i stedet for flere små fraksjonerte doser som er brukt i klinisk setting), dette etterligner patofysiologien til akutte human hud radiotoksisitet 21. Man kan tenke seg at med ytterligere optimalisering, kan DOS tilveie en kvantitativ tilnærming for automatisert og standardisert scoring av strålingsinduserte hudreaksjoner. etter å mestre denne teknikken, kan fremtidige søknader omfatte overvåking forskjeller mellom hud sparsom therapeutics (f.eks sammenligne oxyHb nivåer mellom en kontroll og eksperimentell behandling for hud RADIO, eller for sårheling opprykk ). Mens ideelt for high-throughput legemiddelscreening i dyremodeller, er det DOS systemet potensielt kan tilpasses det kliniske miljøet på grunn av letthet av brukbarheten og evnen til å måle i normale lysforhold. i dette tilfelle, kan proben konstruksjon krever mindre modifikasjoner med litt større optode separasjoner å ta høyde forDen økte tykkelsen av menneskelig hud. En klinisk DOS system ville tillate for on-line evaluering av intervensjonene terapier som kan redusere smertefulle hudreaksjoner og forbedre pasientens komfort og compliance. I fremtiden kan det være interessant å utvide DOS-basert kvantifisering til funksjonene i kronisk stråleindusert hudskader (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 |