Terahertz Imaging and Characterization Protocol for Freshly Excised Breast Cancer Tumors
Summary
Frisch ausgeschnittene menschliche Brustkrebstumoren zeichnen sich durch Terahertz-Spektroskopie und Bildgebung nach Protokollen zur Handhabung von frischem Gewebe aus. Die Gewebepositionierung wird berücksichtigt, um eine effektive Charakterisierung zu ermöglichen und gleichzeitig eine zeitnahe Analyse für zukünftige intraoperative Anwendungen bereitzustellen.
Abstract
Dieses Manuskript stellt ein Protokoll zur Handhabung, Charakterisierung und Abbildung frisch ausgeschnittener menschlicher Brusttumoren mit gepulsten Terahertz-Bildgebungs- und Spektroskopie-Techniken dar. Das Protokoll beinhaltet den Terahertz-Übertragungsmodus bei normaler Inzidenz und den Terahertz-Reflexionsmodus in einem schrägen Winkel von 30°. Die gesammelten experimentellen Daten stellen Zeitbereichsimpulse des elektrischen Feldes dar. Das durch einen festen Punkt auf dem ausgeschnittenen Gewebe übertragene terahertz-Elektrisches Feldsignal wird durch ein analytisches Modell verarbeitet, um den Brechungsindex und den Absorptionskoeffizienten des Gewebes zu extrahieren. Mit Hilfe eines Schrittmotorscanners wird der terahertz emittierte Puls von jedem Pixel auf dem Tumor reflektiert und liefert ein planares Bild verschiedener Geweberegionen. Das Bild kann in der Zeit- oder Frequenzdomäne dargestellt werden. Darüber hinaus werden die extrahierten Daten des Brechungsindexes und des Absorptionskoeffizienten an jedem Pixel verwendet, um ein tomographisches Terahertz-Bild des Tumors zu liefern. Das Protokoll zeigt eine klare Unterscheidung zwischen krebserkranken und gesunden Geweben. Andererseits kann das Nichtbeachtung des Protokolls zu lauten oder ungenauen Bildern führen, da Luftblasen und Flüssigkeitsreste auf der Tumoroberfläche auftreten. Das Protokoll bietet eine Methode zur chirurgischen Margenbewertung von Brusttumoren.
Introduction
Terahertz (THz) Bildgebung und Spektroskopie war ein schnell wachsendes Forschungsgebiet in den letzten zehn Jahren. Die kontinuierliche Entwicklung effizienterer und konsistenterer THz-Emitter im Bereich von 0,1–4 THz hat dazu geführt, dass ihre Anwendungen deutlich um1gestiegen sind. Ein Bereich, in dem THz vielversprechend und deutlich gewachsen ist, ist der biomedizinische Bereich2. THz-Strahlung hat sich als nichtionisierend und biologisch sicher auf den Leistungsniveaus im Allgemeinen verwendet, um feste Gewebe zu analysieren3. Als Ergebnis, THz Bildgebung und Spektroskopie wurde verwendet, um zu klassifizieren und zu unterscheiden verschiedene Gewebemerkmale wie Wassergehalt, um Verbrennungsschäden und Heilung4, Leberzirrhose5, und Krebs in verbrauchetenGeweben 6,7anzuzeigen. Krebs-Bewertung insbesondere deckt ein breites Spektrum von potenziellen klinischen und chirurgischen Anwendungen, und wurde für Krebserkrankungen desGehirns8 , Leber9, Eierstöcke10, Magen-Darm-Trakt11, und Brust7,12,13,14,15,16,17,18,19.
THz-Anwendungen für Brustkrebs konzentrieren sich in erster Linie auf die Unterstützung der Brustkonservierender Chirurgie oder Lumpektomie durch Margin-Bewertung. Das Ziel einer Lumpektomie ist es, den Tumor und eine kleine Schicht von umgebendem gesundem Gewebe zu entfernen, im Gegensatz zur vollen Mastektomie, die die gesamte Brust entfernt. Der chirurgische Rand des ausgeschnittenen Gewebes wird dann über die Pathologie bewertet, sobald die Probe in Formalin fixiert, geschnitten, in Paraffin eingebettet und in 4 m–5-m-Scheiben auf Mikroskopdias montiert wurde. Dieser Prozess kann zeitaufwändig sein und erfordert einen sekundären chirurgischen Eingriff zu einem späteren Zeitpunkt, wenn eine positive Marge beobachtet wird20. Aktuelle Richtlinien der American Society of Radiation Oncology definieren diese positive Marge als Krebszellen, die mit der Oberflächenrandtinte21in Berührung kommen. THz-Bildgebung für hochabsorbierendes hydratisiertes Gewebe beschränkt sich in erster Linie auf Oberflächenbildgebung mit einer unterschiedlichen Penetration basierend auf dem Gewebetyp, was ausreicht, um die chirurgischen Anforderungen einer schnellen Margin-Bewertung zu erfüllen. Eine schnelle Analyse der Randbedingungen während der chirurgischen Einstellung würde die chirurgischen Kosten und die Folgerate erheblich senken. Bis heute hat sich THz bei der Unterscheidung zwischen Krebs und gesundem Gewebe in formal fixierten, paraffinierten (FFPE) Geweben als wirksam erwiesen, aber zusätzliche Untersuchungen sind erforderlich, um einen zuverlässigen Nachweis von Krebs in frisch ausgeschnittenen Geweben zu ermöglichen7.
In diesem Protokoll werden die Schritte zur Durchführung von THz-Bildgebung und Spektroskopie an frisch ausgeschnittenen menschlichen Gewebeproben beschrieben, die von einer Biobank gewonnen wurden. THz-Anwendungen, die auf frisch ausgeschnittenen menschlichen Brustkrebsgeweben basieren, wurden selten in veröffentlichten Forschungsarbeiten7,18,22,23verwendet, insbesondere von Forschungsgruppen, die nicht in ein Krankenhaus integriert sind. Die Verwendung von frisch ausgeschnittenem Gewebe ist ebenfalls selten für andere Krebsanwendungen, wobei die meisten Nicht-Brustkrebs-Beispiele für Darmkrebs24,25berichtet werden. Ein Grund dafür ist, dass FFPE-Gewebeblöcke viel einfacher zugänglich sind und handhaben als frisch ausgeschnittenes Gewebe, es sei denn, das THz-System, das für die Studie verwendet wird, ist Teil des chirurgischen Arbeitsablaufs. In ähnlicher Weise sind die meisten kommerziellen Labor-THz-Systeme nicht bereit, mit frischem Gewebe umzugehen, und diejenigen, die das tun, befinden sich noch in den Stadien der Verwendung des Zelllinienwachstums oder haben erst begonnen, ausgeschnittenes Gewebe aus Tiermodellen zu untersuchen. Um THz auf eine intraoperative Einstellung anzuwenden, müssen Bildgebungs- und Charakterisierungsschritte für frisches Gewebe im Voraus entwickelt werden, damit die Analyse die Fähigkeit zur Durchführung von Standardpathologie nicht beeinträchtigt. Für Anwendungen, die nicht von Natur aus als intraoperativ gedacht sind, ist die Charakterisierung von frischem Gewebe nach wie vor ein anspruchsvoller Schritt, der auf In-vivo-Anwendungen und Differenzierung ausgerichtet werden muss.
Ziel dieser Arbeit ist es, eine Richtlinie für die THz-Anwendung für frisch ausgeschnittenes Gewebe mit einem kommerziellen THz-System zu schaffen. Das Protokoll wurde auf einem THz-Bildgebungs- und Spektroskopiesystem26 für murine Brustkrebstumoren13,17,19 entwickelt und auf menschliches chirurgisches Gewebe aus Biobanken7,18erweitert. Während das Protokoll für Brustkrebs generiert wurde, können die gleichen Konzepte auf ähnliche THz-Bildgebungssysteme und andere Arten von Festtumorkrebs angewendet werden, die mit einer Operation behandelt werden, bei der der Erfolg von der Margenbewertung abhängt27. Aufgrund einer relativ geringen Menge an veröffentlichten THz-Ergebnissen zu frisch ausgeschnittenen Geweben ist dies die erste Arbeit nach dem Wissen der Autoren, die sich auf das Protokoll der Frischgewebehandhabung für THz-Bildgebung und Charakterisierung konzentriert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die effektive THz-Reflexionsbildgebung von frischem Gewebe hängt in erster Linie von zwei kritischen Aspekten ab: 1) der richtigen Berücksichtigung der Gewebehandhabung (Abschnitte 2 und 4.15); und 2) die Bühneneinrichtung (hauptsächlich Abschnitt 4.11). Eine unzureichende Trocknung des Gewebes kann zu einer erhöhten Reflexion und Unfähigkeit führen, Regionen aufgrund hoher Reflexionen von DMEM und anderen Flüssigkeiten zu visualisieren. In der Zwischenzeit erzeugt ein schlechter Gewebekontakt mit dem Bildgebungs…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch den National Institutes of Health (NIH) Award R15CA208798 und teilweise durch den National Science Foundation (NSF) Award Nr. 1408007 finanziert. Die Finanzierung des gepulsten THz-Systems erfolgte durch den NSF/MRI Award Nr. 1228958. Wir erkennen die Verwendung von Geweben an, die vom National Disease Research Interchange (NDRI) mit Unterstützung des NIH-Zuschusses U42OD11158 beschafft wurden. Wir würdigen auch die Zusammenarbeit mit dem Oklahoma Animal Disease Diagnostic Laboratory an der Oklahoma State University für die Durchführung des histopathologischen Verfahrens an allen in dieser Arbeit behandelten Geweben.
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).
