Positron Emission Tomography-basert dosemalingsstrålebehandling i en Glioblastoma Rat-modell ved hjelp av Small Animal Radiation Research Platform

Summary

Her presenterer vi en protokoll for å utføre preklinisk positronutslippstolografibasert strålebehandling i en rotte glioblastommodell ved hjelp av algoritmer utviklet internt for å optimalisere nøyaktigheten og effektiviteten.

Abstract

En rotte glioblastom modell for å etterligne kjemo-stråling behandling av menneskelig glioblastom i klinikken ble tidligere etablert. I likhet med den kliniske behandlingen ble beregnet tomografi (CT) og magnetisk resonansavbildning (MR) kombinert under behandlingsplanleggingsprosessen. Positron utslipp tomografi (PET) avbildning ble senere lagt til for å implementere sub-volum boosting ved hjelp av et mikro-bestråling system. Men å kombinere tre avbildningsmodaliteter (CT, MR og PET) ved hjelp av et mikrobestrålingssystem viste seg å være arbeidskrevende fordi multimodal avbildning, behandlingsplanlegging og doselevering må fullføres sekvensielt i den prekliniske innstillingen. Dette resulterer også i en arbeidsflyt som er mer utsatt for menneskelig feil. Derfor ble det implementert en brukervennlig algoritme for å optimalisere preklinisk multimodal bildebehandlingsbasert strålebehandlingsplanlegging ytterligere. Dette programvareverktøyet ble brukt til å evaluere nøyaktigheten og effektiviteten av dosemalingsstrålebehandling med mikrobestråling ved hjelp av en i silico studiedesign. Den nye metodikken for dosemalingsstrålebehandling er bedre enn den tidligere beskrevne metoden når det gjelder nøyaktighet, tidseffektivitet og intra- og brukervariabilitet. Det er også et viktig skritt mot implementering av omvendt behandlingsplanlegging på mikro-bestrålere, hvor planlegging fremover fortsatt er vanlig brukt, i motsetning til kliniske systemer.

Introduction

Glioblastom (GB) er en ondartet og svært aggressiv primær hjernesvulst. GB er en solid heterogen svulst som vanligvis er preget av infiltratære grenser, kjernefysisk atypia og nekrose1. Tilstedeværelsen av blod-hjerne-barrieren og hjernens status som et immunprivilegert sted gjør oppdagelsen av nye mål for kjemo- og immunterapi til en skremmende ^oppgave2,3,4. Det er bemerkelsesverdig at behandlingen av GB-pasienter knapt har endret seg siden introduksjonen, i 2005, av Stupp-protokollen som kombinerer ekstern strålestrålebehandling (RT) med samtidig temozolomid, vanligvis etterfulgt av adjuvant temozolomide5. Vanligvis er Stupp-protokollen innledet med maksimal kirurgisk reseksjon. Derfor er alternative behandlingsmetoder av avgjørende betydning.

Gjeldende strålebehandling for glioblastompasienter gir en jevn strålingsdose til det definerte tumorvolumet. I stråling onkologi er det en viktig dose-respons korrelasjon for glioblastom med økende dose, som synes å cap rundt 60 Gy, på grunn av økt toksisitet til den normale ^hjernen6,7. Svulster kan imidlertid være svært (radiobiologisk) heterogene, med gradienter av oksygennivå og / eller store forskjeller i cellulær tetthet. Metabolske avbildningsteknikker, som PET, kan visualisere disse biologiske egenskapene og kan brukes til å tilpasse doseresepten. Denne tilnærmingen er kjent som dosemaling RT. Dette begrepet ble introdusert av Ling et al. i 2000. Forfatterne definerte dosemaling RT som å produsere “utsøkt konforme dosefordelinger innenfor begrensningene av strålingsforplantning og spredning”⁸.

Det er to typer dosemaling RT, dosemaling etter konturer (DPBC), hvorved en dose er foreskrevet til et sett med nestede undervolumer, og dosemaling etter tall (DPBN), hvorved en dose foreskrives på voxelnivå. Dosefordelingen for DPBN RT kan trekkes ut fra funksjonelle bilder. Dosen i hver voxel bestemmes av intensiteten I av den tilsvarende voxelen i bildet, med en nedre og øvre grense, for å sikre at en tilstrekkelig dose på den ene siden leveres til hver del av svulsten. På den annen side overstiger doser ikke en øvre grense for å beskytte organer i fare og unngå toksisitet. Den enkleste metoden er en lineær interpolering (se Eq. 1) mellom minimumsdose _Dmin og maksimal dose _Dmax, proporsjonalt varierende mellom minimum intensitet _Imax og maksimal intensitet innenfor målvolumet9,10

Eq. 1

Fordi det er en viss skepsis til kvalitetssikringen av DPBN RT, bør avsetningen av dosen verifiseres gjennom preklinisk og klinisk ^forskning10. Imidlertid kan bare begrensede data innhentes fra kliniske studier, og det har blitt hypoteset at mer innsikt kan oppnås ved nedskalering til ^{laboratoriedyr11,12}. Derfor er prekliniske studier som bruker presisjonsbildestyrte strålingsforskningsplattformer som tillater kobling med noen svært spesifikke teknikker, for eksempel autoradiografi, egnet for å undersøke åpne problemer og bane vei mot personlig medisin og nye behandlingsstrategier, for eksempel dosemaling ^RT13,14. Tolkningen av prekliniske data må imidlertid utføres med forsiktighet, og ulemper ved disse prekliniske oppsettene må vurderes ^som14.

Mikrobestrålingssystemer, som Small Animal Radiation Research Platform (SARRP), er utstyrt med lignende teknologier som deres kliniske motpart. De inkluderer innebygd kjeglestråle CT (CBCT) avbildning, et preklinisk behandlingsplanleggingssystem (PCTPS), og gir under millimeter presisjon. Kliniske doseberegninger utføres ved omvendt behandlingsplanlegging, hvorved man initierer fra ønsket dosefordeling for å bestemme bjelkene via en iterativ algoritme. Prekliniske bestrålere bruker ofte planlegging fremover. I planlegging fremover velges den nødvendige mengden og vinkelen på bjelkene, og PCTPS beregner deretter dosefordelingen. Optimaliseringen av planene utføres ved manuell gjentakelse, som er ^{arbeidsintensiv15}.

Etter 2009 har en ny utvikling gjort gjennomføringen av omvendt planlegging på disse forskningsplattformene mulig16,17,18. For å øke likheten med den kliniske metoden ble en motorisert variabel rektangulær collimator (MVC) utviklet som en preklinisk motstykke til multibladkollimatøren. En todimensjonal dosemalingsmetode ved hjelp av en variabel kolimatør ble publisert av Cho et ^al.19. Denne forskningsgruppen implementerte en tredimensjonal (3D) omvendt behandlingsplanleggingsprotokoll på en mikro-bestråler og bestemte minimums- og maksimumsdoser for målvolumet og en maksimal dose for organene i fare. Disse teknikkene har hovedsakelig blitt evaluert i silico, og deres prekliniske applikasjoner må utforskes.

Denne artikkelen presenterer en i silicostudie for å sammenligne to metoder for [^18F]-fluor-etyl-L-tyrosin ([^18F]FET) PET-basert dosemaleri i en GB rottemodell20,21,22 ved hjelp av en liten forskningsplattform for dyrestråling. Disse to metodene er (1) undervolumforsterking ved hjelp av forhåndsdefinerte strålestørrelser og (2) dosemaling ved hjelp av en motorisert variabel collimator der kjevedimensjoner endres basert på PET-traceropptaket i tumorvolumet. [^18F] FET er en PET-tracer som ofte brukes i nevro-onkologi på grunn av sin evne til å oppdage ^{hjernesvulster23}. [^18F] FET er en kunstig aminosyre som internaliseres i tumorceller, men ikke innlemmet i celleproteiner. [^18F] FET-opptak tilsvarer celleproliferasjonshastighet, tumorcelletetthet og angiogenese24. Siden dette er den mest brukte onkologiske hjernen PET tracer i disse forfatternes institutt, ble denne radiotraceren valgt for å evaluere den nye arbeidsflyten.

Protocol

Studien ble godkjent av den lokale etikkkomiteen for dyreforsøk (ECD 18/21). Anestesiovervåking utføres ved å skaffe seg luftveiene til dyrene ved hjelp av en sensor. 1. F98 GB rottecellemodell Kultur F98 GB cellene i en monolayer ved hjelp av Dulbecco’s Modified Eagle Medium, supplert med 10% kalv serum, 1% penicillin, 1% streptomycin, og 1% L-glutamin, og plassere dem i en CO2 inkubator (5% CO2 og 37 °C). Inokuler gliomacellene i hjernen til kv…

Representative Results

Muligheten for PET- og MR-guidet bestråling i en glioblastomrottemodell ved hjelp av SARRP for å etterligne den menneskelige behandlingsstrategien har tidligere blitt beskrevet20,21,22. Mens dyret ble festet på en multimodalitetsseng laget internt, var det mulig å lage en akseptabel strålebehandlingsplan som kombinerer tre bildemodaliteter: PET, MR og CT. I disse metodene ble en ekstern programvarepakke (se material…

Discussion

En rotte GB modell for å etterligne kjemo-stråling behandling i klinikken for glioblastom pasienter ble tidligere ^beskrevet20. I likhet med den kliniske metoden ble CT og MR kombinert under behandlingsplanleggingsprosessen for å oppnå mer presis bestråling. En multimodalitetsseng for å minimere (hode) bevegelse ble brukt da dyret ble flyttet fra ett bildesystem til et annet. Deretter ble PET-avbildning lagt til behandlingsprosessen, og PET-basert undervolumøkning kunne implementeres <sup cl…

Materials

Cell culture
F98 Glioblastoma Cell Line	ATCC	CRL-2397	https://www.lgcstandards-atcc.org/products/all/CRL-2397
Dulbeco's Modified Eagle Medium	Thermo Fisher Scientific	22320-030
Cell culture flasks	Thermo Fisher Scientific	178883	75 cm²
FBS	Thermo Fisher Scientific	10270106
L-Glutamine	Thermo Fisher Scientific	25030-032	200 mM
Penicilline-Streptomycin	Thermo Fisher Scientific	15140-148	10,000 U/mL
Phosphate-Buffered Saline (PBS)	Thermo Fisher Scientific	14040-224
Trypsin-EDTA	Thermo Fisher Scientific	25300-062	0.05%
GB Rat Model
Ball-shaped burr	Foredom	A-228	1.8 mm
Bone Wax	Aesculap	1029754	https://www.aesculapusa.com/en/healthcare-professionals/or-solutions/or-solutions-cranial-closure/hemostatic-bone-wax.html
Ethilon	Ethicon	662G/662H	FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm
Fischer F344/Ico crl Rats	Charles River	–
Insulin Syringe Microfine	Beckton-Dickinson	320924	1 mL, 29 G
IR Lamp	Philips	HP3616/01
Meloxicam (Metacam)	Boehringer Ingelheim	–	2 mg/mL
Micromotor rotary tool	Foredom	K.1090-22
Micropump system	Stoelting Co.	53312	Stoelting Stereotaxic Injector
Stereotactic frame	Stoelting Co.	51600
Xylocaine (1%, with adrenaline 1:200,000)	Aspen	–	1%, with adrenaline 1:200,000
Xylocaine gel (2%)	Aspen	–	2%
Animal Irradiation
Micro-irradiator	X-Strahl	SARRP	Version 4.2.0
Software	X-Strahl	Muriplan	Preclinical treatment planning system (PCTPC), version 2.2.2
Small Animal PET
[18F]FET	Inhouse made	–	PET tracer; along with Prohance: MRI/PET agent
Micro-PET	Molecubes	Beta-Cube	https://www.molecubes.com/b-cube/
Small Animal MRI
Micro-MRI	Bruker Biospin	Pharmascan 70/16	https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan.html
30 G Needle for IV injection	Beckton-Dickinson	305128
PE 10 Tubing	Instech Laboratories Inc	BTPE-10	BTPE-10, polyethylene tubing 0.011 x 0.024 in (0.28 x 60 mm), non sterile, 30 m (98 ft) spool, Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA- (800) 443-4227- http://www.instechlabs.com
Prohance contrast agent	Bracco Imaging	–	279.3 mg/mL, gadolinium-contrast agent (along with [18F]FET: MRI/PET agent)
Tx/Rx Rat Brain – Mouse Whole Body Volumecoil	Bruker Biospin	–	40 mm diameter
Water-based Heating Unit	Bruker Biospin	MT0125
Consumables
Isoflurane	Zoetis	B506	Anesthesia
Insulin Syringe Microfine	Beckton-Dickinson	320924	1 mL, 29 G
Image Analysis
MATLAB	Mathworks	–	Version R2019b
PMOD	PMOD technologies LLC		Preclinical and molecular imaging software