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.
Технологические усовершенствования в лучевой терапии (RT) планирования и поставки в настоящее время обеспечивают высокую конформных терапевтических дозах, которые будут доставлены в области опухоли, в то время как одновременно щадящие нормальных окружающих структур. Тем не менее, острые и иногда тяжелые токсические неизбежны, когда целевая высокая доза находится в непосредственной близости к коже. Если тяжелой недостаточно, в результате чего нормальное повреждение ткани может негативно повлиять на результаты лечения RT и качество жизни пациентов 1,2.
Несмотря на негативным последствиям, нынешнее руководство эритемы излучения кожи остается неспецифической, используя кремы или мази, которые игнорируют основополагающие биологические механизмы, приводящие к повреждениям. Эти подходы основаны на минимизации симптомов, а не причины. Кроме того, сроки и введение интервенционной терапии осложняется качественного и субъективного характера оценки повреждения кожи радиации. Хотя некоторые призналиорганизации (RTOG, EORTC) обеспечивают визуальные рекомендации Оценивание, учреждения различаются по своему выбору предпочтительного скоринг, тем самым затемняя сравнения нормальных тканей токсичностью для целей мета-анализов. Кроме того, такие системы классификации являются грубыми и склонными к изменчивости между наблюдателями, таким образом, чтобы различия в степени тяжести лучевого поражения могут быть неразличимы в исследованиях по оценке стратегий снижения токсичности.
Вместо того, чтобы визуально описывающий степень эритемы в облученной кожи, альтернативный подход заключается в измерении параметров, которые количественно описывают основные физиологические изменения, которые происходят в органе. Гемоглобина крови (Hb), насыщение тканей кислородом (STO 2) или уровни оксигемоглобина (oxyHb) использовались в качестве прокси – серверов для облучения-облучением эритема у мышей 3-6. После облучения, уровни общего гемоглобина испытывают колебания, но oxyHb или StO 2 претерпевают характерный ранний резкий подъем, сопровождаемыйпадают и еще более стойкими рост 3,6. Когда раздражители используются , чтобы вызвать эритему кожи, сосудистые уровни oxyHb непосредственно коррелирует с тяжестью местного эритема и воспаления 7.
Диффузный оптической спектроскопии (ДОС) использует ближнего инфракрасного света, чтобы обеспечить функциональную информацию о биохимических и микроструктурных компонентов жизненно важных компонентов тканей. Это количественное, неинвазивным оптическая технология предлагает метод измерения цитокин-индуцированной вазодилатации в кровеносных сосудах , которые происходят во время эритемы с помощью функциональных суррогатами концентрации гемоглобина и STO 2. Недавние исследования , сравнивающие DOS измеренных параметров с контролируемых клинических методов подсчета очков 8-11 указывают на потенциал метода для преодоления ограничений , присущих текущей классификации системы.
Здесь мы опишем в доме, портативный, система DOS, которая использует функциональные суррогаты для количественного Detecting различия в кожной токсичности радиационно-индуцированной в доклинической модели мыши 5. Описываемая платформа может служить средством стандартизированной эритемы скоринга с высокой чувствительностью для раннего выявления и тонкой дифференциации интервенционной ответа наркотиков. Кроме того, лишь с незначительными изменениями, измерительная аппаратура может в конечном счете быть использованы клинически для мониторинга постели больного в режиме реального времени.
Для DOS подход к количественной оценке токсичностью излучения кожи с использованием оптических биомаркеров было представлено. Системы визуальной токсичности кожи скоринг требуют подготовки специалистов и даже тогда склонны к изменчивости и субъективности между наблюдателями. Система и программное обеспечение для анализа DOS проста в использовании, требует минимальной подготовки и возвращает объективные функциональные параметры для интерпретации физиологических изменений в коже. Кроме того, вместо описания внешнего вида поражения кожи в качестве единственного параметра, DOS предоставляет огромное количество информации в спектральной формы, оптические свойства и функциональные / микроструктурных параметров, которые предлагают дополнительную степень чувствительности и специфичности не доступны в текущих качественных методов подсчета очков. Разделы 1 и 7 выделить основные этапы обработки для получения абсолютных спектральных данных, которые могут быть использованы для количественного подгонки оптических биомаркеров. Предпосылки и базовая Вычитание имеют жизненно важное значение, чтобы позволить пользователю выполнятьизмерения DOS при нормальных условиях освещения. Раздел 8 обеспечивает необходимые модели и уравнения, необходимые для описания бестимусных мышей до и после рентгеновского облучения. Здесь выбор соответствующих поглотителей имеет жизненно важное значение для точного описания измеренных спектров. Рекомендуется, чтобы пользователь тщательно исследовать в литературе основные поглотители, которые доминируют диапазон и ткани интереса, используемой в данном исследовании до построения модели фитинга оптической длины волны биомаркеров. И, наконец, разделы 3-5 описывают обработку бестимусных мышей во время сбора DOS. Для того, чтобы избежать нарушения локального сосудистую сеть, нежный усилие, чтобы поместить зонд DOS на поверхности кожи мыши.
В то время как относительно недорогой по сравнению с гиперспектральным систем камеры 3,4, четкое ограничение описанного DOS подхода является использование точечного зонда для измерения диффузного отражения. Эта геометрия отражательная способность первой необходимости нежный контакт с кожей иимеет потенциал, чтобы ввести погрешность измерения путем диспергирования сосудистую сеть, если это соответствует давлению зонда кожи не используется. Будущие проекты зонда DOS может включать в себя датчик давления для поддержания стабильных результатов. Кроме того, в то время как использование близкого разделения исходного детектора (<2-3 мм) позволяет оптического зондирования глубин, характерных для поверхности кожи, улучшенная специфичность происходит в потере пространственного разрешения по сравнению с 2D гиперспектральных изображений. Чтобы свести к минимуму это ограничение, квадранта сканирование 5-балльной, который фиксирует общий облучаемый объем был использован. Несмотря на отсутствие пространственного разрешения, предыдущая работа на мышах 5 показал способность оптических биомаркеров , усредненное по разреженной области , чтобы дифференцировать не только облученного и необлученного кожу , но и влияние кожи щадящей интервенционных препараты , такие как Vasculotide 6.
Следует отметить, что в то время как общая конструкция системы может быть изменена для различных кожи модели, подосновы спектров и рассеяния форма, возможно, должны быть оптимизированы. В частности, в то время как окси- и дезокси-нь хорошо описывают бестимусной модель мыши, применение той же модели к темной коже может потребоваться добавление меланина для оптимальной подгонки. Кроме того, расширение DOS высокой пропускной способности для более длинных волнах> 950 нм приведет к необходимости добавления воды, доминирующая на более высоких длинах волн. Кроме того, модели на животных с различной толщины кожи может требовать другого разделения источника на детекторе с целью оптимизации чувствительности глубины. И наконец, безволосое особенность делает алгоритмы проще. Несмотря на то, не лысые модели могут быть оптимальными для определенных научных вопросов, они будут требовать удаления волос перед измерениями DOS, и раздражение кожи от этого процесса может повлиять на результаты. Для исследований , где общая функции иммунной системы имеет решающее значение, иммунокомпетентного безволосой мыши (например, СХ-1) , могут служить в качестве лучшей модели из – за ее euthymic природы.
лор "> Важные соображения для зондовых измерений DOS соответствуют RT и оценка облученной области. Колебания температуры могут повлиять на 2 уровня ткани гемоглобина и STO. Измерение группы 3 необлученных животных в каждый момент времени сбора данных может служить в качестве основы для которая непреднамеренные экологические колебания значений параметров могут быть нормализованы. Кроме того, облученной области может быть трудно оценить (если кожный лоскут препараты не были совместимы), прежде чем повреждение начинает проявляться визуально около 5 суток (40 Гр). При использовании черной перманентным маркером для точка границы радиационно открытые участки кожи, избегать чрезмерного использования чернил для предотвращения смазывания чернил, которые могут поставить под угрозу показания.Дополнительным свойством системы является способность отделить поглощение от рассеивающих свойств. В то время как альтернативные системы гиперспектральные визуализации также предоставляют возможность контролировать oxyHb и концентрацию гемоглобина, в свободном пространстве геометрии гиперспектральной I формирования изображения S не в состоянии разрешить изменения рассеяния. Это ограничение может привести к неточностям в возвращаемом oxyHb, Hb и STO 2 параметров , если значительные изменения в рассеянии происходят из – за эритемы (покраснения). Кроме того, мониторинг изменений рассеяния с использованием DOS может обеспечить дополнительные оптические биомаркеров для оценки эритемы. Как показано на рисунке 6, первые результаты от Yohan и др. (2014) показывают , что А и К демонстрируют временную тенденцию следующего ионизирующей радиации , которая не коррелирует с наблюдаемых тенденций от других альтернативных методов , таких как визуальные системы подсчета очков. Это указывает на то, что изменения рассеяния не проявляются в визуально описательной форме, а на самом деле может описывать отдельный биологический процесс. Таким образом, по сравнению с альтернативными методами, DOS обеспечивает высокое разрешение для поверхностных изменений рассеяния, аллею для исследования новых биомаркеров повреждения кожи, которые могут быть отделены от обычных измерений Hb основе.
jove_content "> Хотя наша модель использует большую разовую дозу излучения (а не несколько небольших фракционированных доз, которые используются в клинических условиях), это имитирует патофизиологии острой человеческой кожи радиотоксичностью 21. Предполагается , что при дальнейшей оптимизации, DOS может обеспечить количественный подход для автоматизированного и стандартизированного озвучивания радиационно – индуцированных кожных реакций. После освоения этой техники, будущие приложения могут включать в себя мониторинг различий между кожей щадящих терапевтических средств (например, сравнивая уровни oxyHb между контрольной и экспериментальной терапии для радиозащиты кожи, или для заживления ран продвижения ). в то время как идеально подходит для высокопроизводительного скрининга лекарственных средств на животных моделях, система DOS потенциально адаптируется к клинической среде из-за легкости удобства и возможности измерения в нормальных условиях освещения. в этом случае конструкция зонда может потребовать незначительных модификаций с немного больше разделений optode для учетаувеличенная толщина кожи человека. Клиническая система DOS позволила бы он-лайн оценки интервенционных методов лечения, которые могли бы свести к минимуму болезненные кожные реакции и улучшить комфорт пациента и соблюдения. В будущем, это может быть интересно расширить количественно оценить DOS на основе особенностям хронического радиационного индуцированного повреждения кожи (например, фиброз).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 |