Terahertz Imaging и протокол характеристик для свежевырезанных опухолей рака молочной железы
Summary
Свежевырезанные опухоли рака молочной железы человека характеризуются терагерц спектроскопией и визуализацией в соответствии с протоколами обработки свежих тканей. Позиционирование тканей принимается во внимание для обеспечения эффективной характеристики при своевременном проведении анализа для будущих интраоперационных приложений.
Abstract
Данная рукопись представляет протокол для обработки, характеристики и изображения свежевырезанных опухолей молочной железы человека с использованием импульсных методов терагерца и спектроскопии. Протокол включает режим передачи терагерца при нормальной частоте и режим отражения терагерца под наклонным углом 30 градусов. Собранные экспериментальные данные представляют импульсы домена времени электрического поля. Сигнал терагерца электрического поля, передаваемый через фиксированную точку на вырезокной ткани, обрабатывается с помощью аналитической модели для извлечения рефракционного индекса и коэффициента абсорбции ткани. Используя ступенчатый моторный сканер, терагерц, излучаемый пульс, отражается от каждого пикселя на опухоли, обеспечивая планарное изображение различных областей тканей. Изображение может быть представлено в домене времени или частоты. Кроме того, извлекаемые данные рефракционного индекса и коэффициента поглощения на каждом пикселе используются для обеспечения томографического терагерца изображения опухоли. Протокол демонстрирует четкую дифференциацию раковых и здоровых тканей. С другой стороны, несогласование протокола может привести к шумным или неточным изображениям из-за присутствия пузырьков воздуха и остатков жидкости на поверхности опухоли. Протокол предоставляет метод хирургической оценки опухолей молочной железы.
Introduction
Терахерц (ТГц) изображений и спектроскопии была быстро растущей области исследований в последнее десятилетие. Продолжение разработки более эффективных и последовательных излучателей ТГц в диапазоне 0,1-4 ТГц сделало их приложения значительно расти1. Одной из областей, где THz показал обещание и значительный рост биомедицинской области2. Было показано, что излучение THz является неизлечимым и биологически безопасным на уровне мощности, обычно используемом для анализа фиксированных тканей3. В результате, THz изображений и спектроскопии был использован для классификации и дифференцировать различные особенности ткани, такие как содержание воды, чтобы указать повреждения ожога и исцеления4, цирроз печени5, и рак в вырезанныхтканей 6,7. Оценка рака, в частности, охватывает широкий спектр потенциальных клинических и хирургических приложений, и был исследован для рака головного мозга8, печень9, яичники10, желудочно-кишечного тракта11, и грудь7,12,13,14,15,16,17,18,19.
THz приложений для рака молочной железы в первую очередь сосредоточены на поддержке груди сохранения хирургии, или lumpectomy, через маржи оценки. Целью лампэктомии является удаление опухоли и небольшого слоя окружающих здоровых тканей, в отличие от полной мастэктомии, которая удаляет всю грудь. Хирургическая маржа вырезанной ткани затем оценивается с помощью патологии, как только образец был зафиксирован в формалине, секционирован, встроен в парафин, и установлен в 4 мкм-5 мкм ломтиками на слайдах микроскопа. Этот процесс может занять много времени и требует вторичной хирургической процедуры на более позднее время, если положительный запас наблюдается20. Текущие руководящие принципы Американского общества радиационной онкологии определить этот положительный запас, как наличие раковых клеток, контактирующих с поверхностным уровнем чернил21. ТГц-изображение для высокоабсорбционной гидратированной ткани в первую очередь ограничивается поверхностной визуализацией с различным проникновением в зависимости от типа ткани, что достаточно для удовлетворения хирургических потребностей быстрой оценки маржи. Быстрый анализ маржинальных условий во время хирургической настройки значительно снизит хирургические расходы и частоту последующих процедур. На сегодняшний день, THz доказал свою эффективность в дифференциациации между раком и здоровой ткани в формин-фиксированной, парафин-встроенных (FFPE) тканей, но дополнительное исследование необходимо обеспечить надежное обнаружение рака в свежевырезанныхтканей 7.
В этом протоколе подробно описаны шаги по выполнению тГц-изображений и спектроскопии на свежевырезанных образцах тканей человека, полученных из биобанка. THz приложений, построенных на свежевырезанных тканей рака молочной железы человека редко используются в опубликованных исследований7,18,22,23, особенно научно-исследовательских групп, не интегрированных с больницей. Использование свежевысеженных тканей также редко для других видов применения рака, с большинством не-грудной рака примеры сообщается для рака толстой кишки24,25. Одной из причин этого является то, что блоки ткани FFPE гораздо легче получить доступ и обрабатывать, чем свежевысеженые ткани, если система THz используется для исследования является частью хирургического рабочего процесса. Аналогичным образом, большинство коммерческих лабораторных систем THz не готовы обрабатывать свежие ткани, а те, которые все еще находятся в стадии использования роста клеточной линии или только начали смотреть на вырезанные ткани из животных моделей. Для применения ТГц в интраоперационной настройки требует, чтобы визуализация и характеристика шаги были разработаны для свежей ткани заранее, так что анализ не мешает способности выполнять стандартные патологии. Для приложений, которые по своей сути не предназначены для интраоперационной, характеристика свежей ткани по-прежнему является сложным шагом, который должен быть адресован для работы в направлении in vivo приложений и дифференциации.
Цель этой работы заключается в том, чтобы обеспечить руководство для применения THz для свежевысеженых тканей с использованием коммерческой системы THz. Протокол был разработан на THz визуализации и спектроскопии системы26 для опухолей рака молочной железы13,17,19 и был распространен на хирургические ткани человека, полученные из биобанков7,18. Хотя протокол был создан для рака молочной железы, те же концепции могут быть применены к аналогичным THz системвизуализации и других типов твердых опухолей рака, которые лечатся с хирургией, где успех зависит от оценки маржи27. Из-за довольно небольшого количества опубликованных результатов ТГц на свежевысешенных тканях, это первая работа, к знаниям авторов, чтобы сосредоточиться на протоколе обработки свежей ткани для ТГц изображений и характеристики.
Protocol
Representative Results
Discussion
Эффективная визуализация тГц свежих тканей в первую очередь зависит от двух важнейших аспектов: 1) надлежащего рассмотрения обработки тканей (разделы 2 и 4.15); и 2) установка сцены (прежде всего раздел 4.11). Недостаточное высыхание тканей может привести к увеличению отражения и неспособнос?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была профинансирована Национальными институтами здравоохранения (NIH) Премия R15CA208798 и, в частности, Национальный научный фонд (NSF) Премии No 1408007. Финансирование системы импульсных ТГц было получено через NSF/MRI Award No 1228958. Мы признаем использование тканей, закупленных Национальной развязкой исследований болезней (NDRI) при поддержке гранта NIH U42OD11158. Мы также признаем сотрудничество с Оклахомой животных болезни Диагностической лаборатории в Университете штата Оклахома для проведения процедуры гистопатологии на всех тканях обрабатываются в этой работе.
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).
