الخيالات الأنسجة محاكاة لتقييم المحتملة القريبة من الأشعة تحت الحمراء تطبيقات التصوير الإسفار في جراحة سرطان الثدي
Summary
Near-infrared fluorescence (NIRF) imaging may improve therapeutic outcome of breast cancer surgery by enabling intraoperative tumor localization and evaluation of surgical margin status. Using tissue-simulating breast phantoms containing fluorescent tumor-simulating inclusions, potential clinical applications of NIRF imaging in breast cancer patients can be assessed for standardization and training purposes.
Abstract
عدم دقة في الترجمة الورم أثناء العملية وتقييم الوضع هامش الجراحية نتيجة في نتائج دون المستوى الأمثل للجراحة المحافظة على الثدي (BCS). التصوير الضوئي، ولا سيما مضان القريب من الأشعة تحت الحمراء (NIRF) التصوير، قد يقلل من تواتر هوامش الجراحية الإيجابية التالية BCS من خلال توفير الجراح مع أداة قبل وأثناء العملية لتوطين الورم في الوقت الحقيقي. في الدراسة الحالية، وإمكانات BCS NIRF الموجهة وتقييمها باستخدام الأشباح الثدي محاكاة الأنسجة لأسباب أغراض التقييس والتدريب.
واستخدمت الأشباح الثدي مع الخصائص البصرية مماثلة لتلك التي من أنسجة الثدي العادية لمحاكاة جراحة الثدي يحافظ. وقد أدرجت الادراج التي تحتوي على صبغة الفلورسنت الأخضر الإندوسيانين (ICG)، محاكاة ورم في الخيالات في مواقع محددة مسبقا وتصوير للتوطين قبل وأثناء العملية الورم، في الوقت الحقيقي NIRF الموجهة استئصال الورم، NIRF الموجهةالتقييم على مدى الجراحة، وتقييم ما بعد الجراحة هوامش الجراحية. تم استخدام كاميرا مخصصة NIRF كنموذج أولي السريرية لأغراض التصوير.
أشباح الثدي تحتوي على شوائب-محاكاة الورم توفر أداة بسيطة وغير مكلفة، وتنوعا لمحاكاة وتقييم التصوير الورم أثناء العملية. الخيالات هلامية لها خصائص مرنة مماثلة لأنسجة الإنسان، ويمكن خفض باستخدام الأدوات الجراحية التقليدية. وعلاوة على ذلك، فإن الأشباح تحتوي على الهيموجلوبين وintralipid لمحاكاة الامتصاص والتشتت من الفوتونات، على التوالي، وخلق الخصائص البصرية موحدة مماثلة لأنسجة الثدي الإنسان. العيب الرئيسي للNIRF التصوير هو عمق الاختراق محدود من الفوتونات عندما نشر من خلال الأنسجة، مما يعوق (موسع) تصوير الأورام العميقة مع استراتيجيات برنامج التحصين الموسع-الإضاءة.
Introduction
الجراحة المحافظة على الثدي (BCS)، يليه العلاج الإشعاعي هو العلاج القياسية لمرضى سرطان الثدي مع T 1 2 سرطان الثدي -T 1،2. عدم الدقة في التقييم أثناء العملية لمدى نتيجة عملية جراحية في هوامش إيجابية جراحية في 20 إلى 40٪ من المرضى الذين خضعوا BCS، مما يستلزم التدخل الجراحي أو العلاج الإشعاعي 3،4،5 إضافية. على الرغم من استئصال واسعة من المتاخمة نسيج الثدي صحية قد تقلل من وتيرة هامش الجراحية إيجابية، وهذا سوف يعيق أيضا نتائج ومستحضرات التجميل وزيادة الاعتلال المشترك 6،7. وبالتالي هناك حاجة إلى تقنيات جديدة التي تقدم أثناء العملية ردود الفعل على موقع الورم الرئيسي ومدى الجراحة. التصوير الضوئي، ولا سيما مضان الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRF) التصوير، قد يقلل من تواتر هوامش الجراحية الإيجابية التالية BCS من خلال توفير الجراح مع أداة قبل وأثناء العملية لتوطين ورم في صالوقت EAL. مؤخرا، ذكرت مجموعتنا على أول محاكمة في الإنسان من التصوير مضان التي تستهدف الورم في مرضى سرطان المبيض، والتي تبين جدوى هذه التقنية للكشف عن الأورام الأولية والانبثاث داخل الصفاق مع حساسية عالية 8. قبل الشروع في الدراسات السريرية في مرضى سرطان الثدي، ومع ذلك، فإن جدوى مختلف NIRF تطبيقات التصوير التي تستهدف الورم في BCS يمكن بالفعل تقييم preclinically باستخدام الأشباح.
يصف بروتوكول البحثية التالية استخدام NIRF التصوير في الخيالات الثدي محاكاة الأنسجة التي تحتوي الفلورسنت محاكاة الورم الادراج 9. توفر الأشباح أداة غير مكلفة وتنوعا لمحاكاة ما قبل وأثناء العملية توطين الورم، في الوقت الحقيقي NIRF الموجهة استئصال الورم، وتقييم الوضع هامش الجراحي، والكشف عن المرض المتبقية. الخيالات هلامية لها خصائص مرنة مماثلة لأنسجة الإنسان، ويمكن خفض استخدام ق التقليديةأدوات urgical. أثناء الإجراء الجراحي محاكاة، ويسترشد الجراح بمعلومات عن طريق اللمس (في حالة من شوائب واضح) والفحص البصري من مجال الجراحة. وبالإضافة إلى ذلك، يتم تطبيق NIRF التصوير لتوفير الجراح في الوقت الحقيقي مع ردود الفعل أثناء العملية على مدى الجراحة.
وينبغي التأكيد على أن NIRF التصوير يتطلب استخدام الأصباغ الفلورية. من الناحية المثالية، الأصباغ الفلورية ينبغي أن تستخدم الفوتونات التي تنبعث منها في نطاق الطيف القريب من الأشعة تحت الحمراء (650-900 نانومتر) لتقليل الامتصاص والتشتت من الفوتونات بواسطة الجزيئات وفيرة من الناحية الفسيولوجية في الأنسجة (مثل الهيموجلوبين، والدهون، والإيلاستين، والكولاجين، والمياه) 10،11. وعلاوة على ذلك، تألق ذاتي (أي النشاط مضان جوهري في الأنسجة بسبب التفاعلات الكيميائية الحيوية في الخلايا الحية) يتم التقليل في المدى الطيفي القريب من الأشعة تحت الحمراء، مما أدى المثلى الورم إلى خلفية نسب 11. بواسطة التصريف NIRF الأصباغ إلى ورم targeالأنصاف تيد (مثل الأجسام المضادة وحيدة النسيلة)، ويمكن الحصول على المستهدفة تسليم الأصباغ الفلورية لتطبيقات التصوير أثناء العملية.
كما أن العين البشرية هي حساسة للضوء في نطاق الطيفية القريب من الأشعة تحت الحمراء، مطلوب جهاز كاميرا حساسة للغاية لNIRF التصوير. وقد تم تطوير عدة أنظمة التصوير NIRF للاستخدام أثناء العملية حتى الآن 12. في الدراسة الحالية، استخدمنا العرف بناء نظام التصوير NIRF التي تم تطويرها لتطبيقها أثناء العملية بالتعاون مع الجامعة التقنية في ميونيخ. يسمح النظام لشراء وقت واحد من الصور الملونة والصور مضان. لتحسين دقة الصور مضان، ويتم تنفيذ خطة تصحيح للتغيرات في شدة الضوء في الأنسجة. وتقدم وصفا مفصلا بواسطة Themelis وآخرون 13
Protocol
Representative Results
Discussion
نحن محاكاة التطبيقات السريرية المحتملة للBCS NIRF الموجهة من خلال استخدام أشباح على شكل الثدي مع شوائب-محاكاة الورم متكاملة. أثناء العملية توطين الورم، NIRF الموجهة استئصال الورم والتقييم على مدى الجراحة، وتقييم ما بعد الجراحة هوامش الجراحية تم العثور ممكنا باستخدام جم?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by a grant from the Jan Kornelis de Cock foundation.
Materials
| Bovine hemoglobin | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | H2500 | Simulates absorption of photons in tissue |
| Intralipid 20% | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | I141 | Simulates scattering of photons in tissue |
| Silicone A translucent 40 (2-components poly-addition silicone) | NedForm, Geleen, The Netherlands | N/A | Package consists of components A and B, that should be mixed one on one (A:B=10:1). Link to manufacturers page: http://tinyurl.com/ncjq7jx |
| Gelatine 250 Bloom | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | 48724 | Construction of breast-shaped phantoms |
| Agarose | Hispanagar, Burgos, Spain | N/A | Construction of tumor-simulating inclusions |
| Tris | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | T1503 | |
| Hcl | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | 258148 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | S9888 | |
| NaH3 | Merck, Darmstadt, Germany | 822335 | CAUTION: severe poison. The toxicity of this compound is comparable to that of soluble alkali cyanides and the lethal dose for an adult human is about 0.7 grams. |
| Examples of NIRF imaging devices for intraoperative application: | |||
| T2 NIRF imaging platform | SurgVision BV, Heerenveen, The Netherlands | N/A | Customized NIRF imaging system used in the current study. More details available at www.surgvision.com |
| Photodynamic Eye | Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH, Herrsching am Ammersee, Germany | PC6100 | www.iht-ltd.com |
| FLARE imaging system kit | The FLARE Foundation Inc, Wayland, MA, USA | N/A | www.theflarefoundation.org |
| Fluobeam | Fluoptics, Grenoble, France | N/A | www.fluoptics.com |
| Artemis handheld camera | Quest Medical Imaging BV, Middenmeer, the Netherlands | N/A | www.quest-mi.com |
| Examples of NIRF fluorescent dyes for intraoperative application: | |||
| Indocyanine green | ICG-PULSION, Feldkirchen, Germany | PICG0025DE | Clinical grade fluorescent dye for NIRF imaging used in the current study. More details available at www.pulsion.com |
| IRDye 800CW NHS Ester | LI-COR Biosciences, Lincoln, NE, USA | 929-70021 | www.licor.com |
References
- Bellon, J. R., et al. ACR Appropriateness Criteria® Conservative Surgery and Radiation – Stage I and II Breast Carcinoma. The Breast Journal. 17 (5), 448-455 (2011).
- Kaufmann, M., Morrow, M., Von Minckwitz, G., Harris, J. R. The Biedenkopf Expert Panel Members. Locoregional treatment of primary breast cancer. Cancer. 116, 1184-1191 (2010).
- Pleijhuis, R. G., et al. Obtaining adequate surgical margins in breast-conserving therapy for patients with early-stage breast cancer: current modalities and future directions. The Annals of Surgical Oncology. 16, 2717-2730 (2009).
- Singletary, S. E. Surgical margins in patients with early-stage breast cancer treated with breast conservation therapy. American Journal of Surgery. 184 (5), 383-393 (2002).
- Jacobs, L. Positive margins: the challenge continues for breast surgeons. Annals of Surgical Oncology. 15 (5), 1271-1272 (2008).
- Krekel, N., et al. Excessive resections in breast-conserving surgery a retrospective multicentre study. The Breast Journal. 17 (6), 602-609 (2011).
- Wood, W. C. Close/positive margins after breast-conserving therapy: additional resection or no resection?. Breast. 22, 115-117 (2013).
- Van Dam, G. M., et al. Intraoperative tumor-specific fluorescence imaging in ovarian cancer by folate receptor-α targeting: first in-human results. Nature Medicine. 17 (10), 1315-1319 (2011).
- Pleijhuis, R. G., et al. Near-infrared fluorescence (NIRF) imaging in breast-conserving surgery: assessing intraoperative techniques in tissue-simulating breast phantoms. European Journal of Surgical Oncology. 37 (1), 32-39 (2011).
- Baeten, J., Niedre, M., Dunham, J., Ntziachristos, V. Development of fluorescent materials for Diffuse Fluorescence Tomography standards and phantoms. Optics Express. 15 (14), 8681-8694 (2007).
- Luker, G. D., Luker, K. E. Optical imaging: current applications and future directions. Journal of Nuclear Medicine. 49 (1), 1-4 (2007).
- Keereweer, S., et al. Optical image-guided surgery – Where do we stand?. Molecular Imaging Biology. 13 (2), 199-207 (2011).
- Themelis, G., Yoo, J. S., Soh, K. S., Shulz, R., Ntziachristos, V. Real-time intraoperative fluorescence imaging system using light-absorption correction. Journal of Biomedical Optics. 14 (6), 064012 (2009).
- Themelis, G., et al. Enhancing surgical vision by using real-time imaging of αvβ3-integrin targeted near-infrared fluorescent agent. Annals of Surgical Oncology. 18 (12), 3506-3513 (2011).
- De Grand, A. M., et al. Tissue-like phantoms for near-infrared fluorescence imaging system assessment and the training of surgeons. Journal of Biomedical Optics. 11 (1), 014007 (2006).
- Intes, X. Time-domain optical mammography SoftScan: initial results. Academic Radiology. 12 (10), 934-947 (2005).
- Kirsch, D. G., et al. A spatially and temporally restricted mouse model of soft tissue sarcoma. Nature Medicine. 13 (8), 992-997 (2007).
- Tafreshi, N. K., et al. Noninvasive detection of breast cancer lymph node metastasis using carbonic anhydrases IX and XII targeted imaging probes. Clinical Cancer Research. 18 (1), 207-219 (2012).
- Nguyen, Q. T., Tsien, R. Y. Fluorescence-guided surgery with live molecular navigation – a new cutting edge. Nature Reviews Cancer. 13 (9), 653-662 (2013).
- Orosco, R. K., Tsien, R. Y., Nguyen, Q. T. Fluorescence imaging in surgery. IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 178-187 (2013).
