تيراهيرتز التصوير وبروتوكول التوصيف لأورام سرطان الثدي المكوس حديثا
Summary
تتميز أورام سرطان الثدي البشري المكوس حديثًا بالتحليل الطيفي والتصوير التياهيرتزي بعد بروتوكولات معالجة الأنسجة الطازجة. يؤخذ وضع الأنسجة في الاعتبار لتمكين التوصيف الفعال مع توفير التحليل في الوقت المناسب للتطبيقات المستقبلية داخل العملية.
Abstract
تقدم هذه المخطوطة بروتوكولًا للتعامل مع أورام الثدي البشرية المكوس حديثًا وتوصيفها وتصويرها باستخدام تقنيات التصوير والتنظير الطيفي النبضية. يتضمن البروتوكول وضع انتقال تيراهيرتز عند الحدوث العادي ووضع انعكاس تيراهيرتز بزاوية مائلة قدرها 30 درجة. تمثل البيانات التجريبية التي تم جمعها نبضات المجال الزمني للحقل الكهربائي. تتم معالجة إشارة الحقل الكهربائي تيراهيرتز المرسلة من خلال نقطة ثابتة على الأنسجة المكوسة ، من خلال نموذج تحليلي ، لاستخراج مؤشر الانكسار ومعامل امتصاص الأنسجة. باستخدام ماسح ضوئي للسيارات السائر، وينعكس نبض تياهيرتز المنبعث من كل بكسل على الورم توفير صورة بلازار من مناطق الأنسجة المختلفة. يمكن تقديم الصورة في مجال الوقت أو التردد. وعلاوة على ذلك، يتم استخدام البيانات المستخرجة من مؤشر الانكسار ومعامل الامتصاص في كل بكسل لتوفير صورة تاهيرتز توموغرافية للورم. يوضح البروتوكول وجود تمييز واضح بين الأنسجة السرطانية والسليمة. من ناحية أخرى ، لا يمكن أن يؤدي عدم الالتزام بالبروتوكول إلى صور صاخبة أو غير دقيقة بسبب وجود فقاعات هوائية وبقايا سوائل على سطح الورم. يوفر البروتوكول طريقة لتقييم الهوامش الجراحية لأورام الثدي.
Introduction
كان التصوير والتحليل الطيفي تيراهيرتز (THz) مجالًا سريع النمو للبحث في العقد الماضي. أدى التطوير المستمر لباعثات THz الأكثر كفاءة واتساق في نطاق 0.1-4 THz إلى زيادة تطبيقاتها بشكل كبير1. أحد المجالات التي أظهرت فيها THz وعدًا ونموًا كبيرًا هو المجال الطبي الحيوي2. وقد ثبت أن الإشعاع THz غير المؤين وآمن بيولوجيا على مستويات الطاقة المستخدمة عموما لتحليل الأنسجة الثابتة3. ونتيجة لذلك، تم استخدام التصوير THz والتحليل الطيفي لتصنيف وتمييز ميزات الأنسجة المختلفة مثل محتوى المياه للإشارة إلى تلف الحرق والشفاء4، تليف الكبد5، والسرطان في الأنسجة المكوسة6،7. يغطي تقييم السرطان على وجه الخصوص مجموعة واسعة من التطبيقات السريرية والجراحية المحتملة ، وتم التحقيق في سرطانات الدماغ8، الكبد9، المبيضين10، الجهاز الهضمي11، والثدي7،12،13،14،15،16،17،18،19.
تركز تطبيقات THz لسرطان الثدي في المقام الأول على دعم جراحة حفظ الثدي، أو استئصال الورم، من خلال تقييم الهامش. الهدف من استئصال الورم هو إزالة الورم وطبقة صغيرة من الأنسجة السليمة المحيطة ، على النقيض من استئصال الثدي الكامل ، والذي يزيل الثدي بأكمله. ثم يتم تقييم الهامش الجراحي للأنسجة المكوسة عن طريق علم الأمراض بمجرد إصلاح العينة في الفورماتين، مقطعة، مضمنة في البارافين، ومثبتة في 4 ميكرومتر-5 ميكرومتر شرائح على شرائح المجهر. يمكن أن تستغرق هذه العملية وقتًا طويلاً وتتطلب إجراءً جراحيًا ثانويًا في وقت لاحق إذا لوحظ وجود هامش إيجابي20. المبادئ التوجيهية الحالية من قبل الجمعية الأمريكية للأورام الإشعاعية تعريف هذا الهامش الإيجابي وجود الخلايا السرطانية الاتصال على مستوى سطح الحبر هامش21. يقتصر التصوير بتردد عالٍ للأنسجة المرطبة عالية الامتصاص في المقام الأول على التصوير السطحي مع بعض التغلغل المختلف استنادًا إلى نوع الأنسجة ، وهو ما يكفي لتلبية الاحتياجات الجراحية لتقييم الهامش السريع. ومن شأن إجراء تحليل سريع لظروف الهامش أثناء الإعداد الجراحي أن يقلل إلى حد كبير من التكاليف الجراحية ومعدل إجراءات المتابعة. حتى الآن، وقد أثبتت THz فعالة في التمييز بين السرطان والأنسجة السليمة في الأنسجة الرسمية الثابتة، جزءا لا يتجزأ من البارافين (FFPE) ، ولكن هناك حاجة إلى تحقيق إضافي لتوفير الكشف موثوق بها من السرطان في الأنسجة المكوس حديثا7.
ويفصّل هذا البروتوكول الخطوات اللازمة لإجراء التصوير بتقنية THz والتنظير الطيفي على عينات الأنسجة البشرية المكوس حديثاً التي تم الحصول عليها من مصرف حيوي. THz التطبيقات المبنية على حديثا استئصال أنسجة سرطان الثدي البشري نادرا ما استخدمت في البحوث المنشورة7,18,22,23, وخاصة من قبل مجموعات بحثية غير متكاملة مع مستشفى. استخدام الأنسجة الطازجة هو أيضا نادرة لتطبيقات السرطان الأخرى, مع معظم الأمثلة سرطان الثدي غير الإنسان التي يتم الإبلاغ عنها لسرطان القولون24,,25. أحد أسباب ذلك هو أن كتل أنسجة FFPE أسهل بكثير للوصول إليها والتعامل معها من الأنسجة المكوسة الطازجة ما لم يكن نظام THz المستخدم للدراسة جزءًا من سير العمل الجراحي. وبالمثل، فإن معظم أنظمة THz المختبرية التجارية غير مستعدة للتعامل مع الأنسجة الطازجة، وتلك التي لا تزال في مراحل استخدام نمو خط الخلية أو أنها بدأت فقط في النظر إلى الأنسجة المكوسة من النماذج الحيوانية. لتطبيق THz على الإعداد داخل العملية يتطلب أن يتم تطوير خطوات التصوير والتوصيف للأنسجة الطازجة مقدما بحيث لا يتداخل التحليل مع القدرة على إجراء علم الأمراض القياسية. بالنسبة للتطبيقات التي لا يقصد بها بطبيعتها أن تكون داخل العملية ، لا يزال توصيف الأنسجة الطازجة خطوة صعبة يجب معالجتها للعمل من أجل تطبيقات الحي والتمايز.
والهدف من هذا العمل هو توفير مبادئ توجيهية لتطبيق THz للأنسجة المكوسة حديثاً باستخدام نظام THz تجاري. تم تطوير البروتوكول على نظام التصوير والتنظير الطيفي THz26 لأورام سرطان الثدي الماتورين13،17،19 وتم توسيعه إلى الأنسجة الجراحية البشرية التي تم الحصول عليها من البنوك الحيوية7،18. في حين تم إنشاء البروتوكول لسرطان الثدي ، يمكن تطبيق نفس المفاهيم على أنظمة التصوير THz المماثلة وأنواع أخرى من سرطانات الأورام الصلبة التي يتم علاجها مع الجراحة حيث يعتمد النجاح على تقييم الهامش27. بسبب كمية صغيرة إلى حد ما من نتائج THz المنشورة على الأنسجة المكوسة حديثا، وهذا هو أول عمل لمعرفة المؤلفين للتركيز على بروتوكول مناولة الأنسجة الطازجة للتصوير THz والتوصيف.
Protocol
Representative Results
Discussion
ويعتمد التصوير الفعال للأنسجة الطازجة في الأنسجة الطازجة في المقام الأول على جانبين حاسمين هما: 1) النظر السليم في مناولة الأنسجة (القسمان 2 و4.15)؛ (2) النظر السليم في مناولة الأنسجة (القسمان 2 و4.15)؛ (2) النظر السليم في مناولة الأنسجة (القسمان 2 و4.15)؛ (2) النظر السليم في مناولة الأنسجة (القسمان 2 و4.1…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا العمل من قبل جائزة المعاهد الوطنية للصحة (NIH) # R15CA208798 وجزئيا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF) جائزة # 1408007. تم الحصول على تمويل لنظام THz النابض من خلال جائزة NSF/MRI # 1228958. نحن نعترف باستخدام الأنسجة التي تم شراؤها من قبل التبادل الوطني لبحوث الأمراض (NDRI) بدعم من منحة المعاهد القومية للصحة U42OD11158. كما نعترف بالتعاون مع مختبر أوكلاهوما لتشخيص الأمراض الحيوانية في جامعة ولاية أوكلاهوما لإجراء إجراء علم الأمراض الأنسجة على جميع الأنسجة التي تم التعامل معها في هذا العمل.
Materials
| 70% isopropyl alcohol | VWR | 89108-162 | Contains 70% USP grade isopropanol and 30% USP grade deionized water |
| Alconox powder detergent | VWR | 21835-032 | Concentrated detergent to remove organic contaminants from glass, metal, stainless steel, porcelain, ceramic, plastic, rubber, and fiberglass |
| Bio Hazard Bags | Fisher Scientific | 19-033-712 | Justrite FM-Approved Biohazard Waste Container Replacement Bags |
| Cardboard holder | N/A | N/A | Scrap cardboard to keep tissue imaging face intact when immersed in formalin |
| Centrifuge Tubes | VWR | 10026-078 | Centrifuge Tubes with Flat Caps, Conical-Bottom, Polypropylene, Sterile, Standard Line |
| Cotton Swabs | Walmart | 551398298 | Q-tips Original Cotton Swabs used to dye the tissue |
| Ethyl Alcohol | VWR | 71002-426 | KOPTECH Pure (undenatured) anhydrous (200 proof/100%) ethyl alcohol |
| Eye protection goggles | VWR | 89130-918 | Kimberly-clark professional safety glasses |
| Face Mask | VWR | 95041-774 | DUKAL Corporation surgical masks |
| Filter paper | Sigma Aldrich | Z240087 | Whatman grade 1 cellulose filters |
| Formalin solution | Sigma Aldrich | HT501128-4L | 10% neutral buffered formalin |
| Human freshly excised tumors (Infilterating Ductal Carcinoma (IDC)) | National Disease Research Interchange (NDRI biobank | N/A | A protocol is signed with the NDRI for the type of tumors required |
| IRADECON Bleach solution | VWR | 89234-816 | Pre-diluted Sodium Hypochlorite Bleach solution |
| KIMTECH SCIENCE wipes | VWR | 21905-026 | Kimberly-clark professional Kim wipes |
| Laboratory Coat | VWR | 10141-342 | This catalog number is for medium size coat |
| Laboratory tweezers/Forceps | VWR | 82027-388 | Any laboratory tweezers can be used as long as it does not damage the tissue |
| Liquid sample holder (two quartz windows with a 0.1 mm teflon spacer) | TeraView, Ltd | N/A | 1" diameter, and 0.1452" thick quartz windows |
| Nitrile hand gloves | VWR | 82026-426 | This catalog number is for medium size gloves |
| Nitrogen cylinder | Airgas | NI UHP300 | NITROGEN UHP GR 5.0 SIZE 300 |
| Paper towel | VWR | 14222-321 | 11 x 8.78" Sheets, 1 Ply |
| Parafilm | VWR | 52858-076 | Flexible thermoplastic. Rolled, waterproof sheet interwound with paper to prevent self-adhesion. |
| Petri Dish | VWR | 470210-568 | VWR Petri Dish, Slippable, Mono Plate (undivided bottom) |
| Polystyrene Plate | Home Depot | 1S11143A | ~ 10 x 10 cm square piece cut from a 11" x 14" x 0.05" Non-glare styrene sheet |
| ScanAcquire Software | TeraView, Ltd | N/A | System Software for THz reflection imaging measurements |
| Stainless steel low-profile blade (#4689) | VWR | 25608-964 | Tissue-Tek Accu-Edge Disposable Microtome Blades |
| Stainless steel metal tray | Quick Medical | 10F | Polar Ware Stainless Steel Medical Instrument Trays |
| Tissue Marking Dyes | Ted Pella, Inc | Yellow Dye #27213-1 Red Dye #27213-2 Blue Dye #27213-4 |
Used to orient excised tissue samples sent to the histopathology laboratory |
| TPS Spectra 3000 | TeraView, Ltd | N/A | THz imaging and spectroscopy system |
| TPS Spectra Software | TeraView, Ltd | N/A | System Software for THz transmission spectroscopy measurements |
Referências
- Burford, N. M., El-Shenawee, M. O. Review of terahertz photoconductive antenna technology. Optical Engineering. 56 (1), 010901 (2017).
- Sun, Q., et al. Recent advances in terahertz technology for biomedical applications. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 7 (3), 345-355 (2017).
- Wilmink, G. J., et al. In vitro investigation of the biological effects associated with human dermal fibroblasts exposed to 2.52 THz radiation. Lasers in Surgery and Medicine. 43 (2), 152-163 (2011).
- Arbab, M. H., et al. Terahertz spectroscopy for the assessment of burn injuries in vivo. Journal of Biomedical Optics. 18 (7), 077004 (2013).
- Sy, S., et al. Terahertz spectroscopy of liver cirrhosis: investigating the origin of contrast. Physics in Medicine and Biology. 55 (24), 7587-7596 (2010).
- Yu, C., Fan, S., Sun, Y., Pickwell-Macpherson, E. The potential of terahertz imaging for cancer diagnosis: A review of investigations to date. Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 2 (1), 33-45 (2012).
- El-Shenawee, M., Vohra, N., Bowman, T., Bailey, K. Cancer detection in excised breast tumors using terahertz imaging and spectroscopy. Biomedical Spectroscopy and Imaging. 8 (1-2), 1-9 (2019).
- Yamaguchi, S., et al. Brain tumor imaging of rat fresh tissue using terahertz spectroscopy. Scientific Reports. 6 (30124), 1-6 (2016).
- Rong, L., et al. Terahertz in-line digital holography of human hepatocellular carcinoma tissue. Scientific Reports. 5 (8445), 1-6 (2015).
- Park, J. Y., Choi, H. J., Nam, G., Cho, K., Son, J. In Vivo Dual-Modality Terahertz / Magnetic Resonance Imaging Using Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles as a Dual Contrast Agent. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2 (1), 93-98 (2012).
- Ji, Y. B., et al. Feasibility of terahertz reflectometry for discrimination of human early gastric cancers. Biomedical Optics Express. 6 (4), 1413-1421 (2015).
- Bowman, T., et al. A Phantom Study of Terahertz Spectroscopy and Imaging of Micro- and Nano-diamonds and Nano-onions as Contrast Agents for Breast Cancer. Biomedical Physics and Engineering Express. 3 (5), 055001 (2017).
- Chavez, T., Bowman, T., Wu, J., Bailey, K., El-Shenawee, M. Assessment of Terahertz Imaging for Excised Breast Cancer Tumors with Image Morphing. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 39 (12), 1283-1302 (2018).
- Bowman, T. C., El-Shenawee, M., Campbell, L. K. Terahertz Imaging of Excised Breast Tumor Tissue on Paraffin Sections. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 63 (5), 2088-2097 (2015).
- Bowman, T., El-Shenawee, M., Campbell, L. K. Terahertz transmission vs reflection imaging and model-based characterization for excised breast carcinomas. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3756-3783 (2016).
- Bowman, T., Wu, Y., Gauch, J., Campbell, L. K., El-Shenawee, M. Terahertz Imaging of Three-Dimensional Dehydrated Breast Cancer Tumors. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 38 (6), 766-786 (2017).
- Bowman, T., et al. Pulsed terahertz imaging of breast cancer in freshly excised murine tumors. Journal of Biomedical Optics. 23 (2), 026004 (2018).
- Bowman, T., Vohra, N., Bailey, K., El-Shenawee, M. Terahertz tomographic imaging of freshly excised human breast tissues. Journal of Medical Imaging. 6 (2), 023501 (2019).
- Vohra, N., et al. Pulsed Terahertz Reflection Imaging of Tumors in a Spontaneous Model of Breast Cancer. Biomedical Physics and Engineering Express. 4 (6), 065025 (2018).
- Jacobs, L. Positive margins: the challenge continues for breast surgeons. Annals of Surgical Oncology. 15 (5), 1271-1272 (2008).
- Moran, M. S., et al. Society of Surgical Oncology–American Society for Radiation Oncology Consensus Guideline on Margins for Breast-Conserving Surgery With Whole-Breast Irradiation in Stages I and II Invasive Breast Cancer. International Journal of Radiation Oncology. 88 (3), 553-564 (2014).
- Fitzgerald, A. J., et al. Terahertz Pulsed Imaging of human breast tumors. Radiology. 239 (2), 533-540 (2006).
- Ashworth, P. C., et al. Terahertz pulsed spectroscopy of freshly excised human breast cancer. Optics Express. 17 (15), 12444-12454 (2009).
- Doradla, P., Alavi, K., Joseph, C., Giles, R. Detection of colon cancer by continuous-wave terahertz polarization imaging technique. Journal of Biomedical Optics. 18 (9), 090504 (2013).
- Reid, C. B., et al. Terahertz pulsed imaging of freshly excised human colonic tissues. Physics in Medicine and Biology. 56 (1), 4333-4353 (2011).
- . Teraview.com Available from: https://teraview.com (2019)
- Orosco, R. K., et al. Positive Surgical Margins in the 10 Most Common Solid Cancers. Scientific Reports. 8 (1), 1-9 (2018).
- Bowman, T., et al. Statistical signal processing for quantitative assessment of pulsed terahertz imaging of human breast tumors. 2017 42nd International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). , 1-2 (2017).
- Gavdush, A. A., et al. Terahertz spectroscopy of gelatin-embedded human brain gliomas of different grades: a road toward intraoperative THz diagnosis. Journal of Biomedical Optics. 24 (2), 027001 (2019).
