हौसले से उत्पादित स्तन कैंसर ट्यूमर के लिए टेराहर्ट्ज इमेजिंग और लक्षण वर्णन प्रोटोकॉल
Summary
ताजा उत्पादित मानव स्तन कैंसर ट्यूमर ताजा ऊतक हैंडलिंग प्रोटोकॉल के बाद टेराहर्ट्ज स्पेक्ट्रोस्कोपी और इमेजिंग के साथ विशेषता है। भविष्य के इंट्राऑपरेटिव अनुप्रयोगों के लिए समय पर विश्लेषण प्रदान करते समय प्रभावी लक्षण वर्णन को सक्षम करने के लिए ऊतक स्थिति को ध्यान में रखा जाता है।
Abstract
यह पांडुलिपि स्पंदित टेराहर्ट्ज इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीकों का उपयोग करके ताजा उत्पादित मानव स्तन ट्यूमर को संभालने, विशेषता और छवि को नियंत्रित करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करती है। प्रोटोकॉल में सामान्य घटना पर टेराहर्ट्ज ट्रांसमिशन मोड और 30 डिग्री के तिरछे कोण पर टेराहर्ट्ज प्रतिबिंब मोड शामिल है। एकत्र किए गए प्रायोगिक डेटा विद्युत क्षेत्र की समय डोमेन दालों का प्रतिनिधित्व करते हैं। एक्चार्ज्ड ऊतक पर एक निश्चित बिंदु के माध्यम से प्रेषित टेराहर्ट्ज इलेक्ट्रिक फील्ड सिग्नल को एक विश्लेषणात्मक मॉडल के माध्यम से संसाधित किया जाता है, ताकि ऊतक के अपवर्तक सूचकांक और अवशोषण गुणांक को निकाला जा सके। एक स्टेपपर मोटर स्कैनर का उपयोग, टेराहर्ट्ज उत्सर्जित पल्स ट्यूमर पर प्रत्येक पिक्सेल से विभिन्न ऊतक क्षेत्रों की एक planar छवि प्रदान करने से परिलक्षित होता है । छवि को समय या आवृत्ति डोमेन में प्रस्तुत किया जा सकता है। इसके अलावा, प्रत्येक पिक्सेल पर अपवर्तक सूचकांक और अवशोषण गुणांक के निकाले गए डेटा का उपयोग ट्यूमर की एक टोमोग्राफिक टेराहर्ट्ज छवि प्रदान करने के लिए किया जाता है। प्रोटोकॉल कैंसर और स्वस्थ ऊतकों के बीच स्पष्ट भेदभाव को दर्शाता है । दूसरी ओर, प्रोटोकॉल का पालन नहीं करने से हवा के बुलबुले की उपस्थिति के कारण शोर या गलत छवियां हो सकती हैं और तरल पदार्थ ट्यूमर की सतह पर रहता है। प्रोटोकॉल स्तन ट्यूमर के सर्जिकल मार्जिन मूल्यांकन के लिए एक विधि प्रदान करता है।
Introduction
टेराहर्ट्ज (THz) इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी पिछले एक दशक में अनुसंधान का एक तेजी से बढ़ता क्षेत्र रहा है । 0.1-4 THz की सीमा में अधिक कुशल और लगातार THz उत्सर्जक के निरंतर विकास ने उनके अनुप्रयोगों को काफी बढ़ा दिया है1। एक क्षेत्र जहां THz ने वादा दिखाया है और महत्वपूर्ण विकास जैव चिकित्सा क्षेत्र2है । टीजेड रेडिएशन को आम तौर पर निश्चितऊतकोंका विश्लेषण करने के लिए उपयोग की जाने वाली शक्ति के स्तर पर nonionizing और जैविक रूप से सुरक्षित दिखाया गया है । नतीजतन, THz इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग विभिन्न ऊतक सुविधाओं को वर्गीकृत करने और अंतर करने के लिए किया गया है जैसे कि जल क्षति और उपचार4,जिगर सिरोसिस5और उत्पादित ऊतकों में कैंसर6,,7। विशेष रूप से कैंसर के आकलन में संभावित नैदानिक और शल्य चिकित्सा अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला शामिल है, और मस्तिष्क8, जिगर,9,अंडाशय10,गैस्ट्रोइंटेस्टाइनल ट्रैक्ट11,और स्तन,7,12,,13,,14,,15,,15,16,17,18,19के कैंसर के लिए जांच की गई है ।
स्तन कैंसर के लिए THz अनुप्रयोगों मुख्य रूप से मार्जिन मूल्यांकन के माध्यम से स्तन संरक्षण सर्जरी, या लुम्पेक्टोमी का समर्थन करने पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं । एक लुम्पेक्टोमी का उद्देश्य ट्यूमर और आसपास के स्वस्थ ऊतकों की एक छोटी सी परत को हटाना है, पूर्ण मस्तूल के विपरीत, जो पूरे स्तन को हटा देता है। एक बार नमूना फॉर्मेलिन में तय होने के बाद एक बार पैरेलिन, सेक्शनेड, पैराफिन में एम्बेडेड, और माइक्रोस्कोप स्लाइड पर 4 माइक्रोन-5 माइक्रोन स्लाइस में घुड़सवार होने के बाद एक्साइजेड ऊतक के सर्जिकल मार्जिन का मूल्यांकन पैथोलॉजी के माध्यम से किया जाता है। यह प्रक्रिया समय लेने वाली हो सकती है और यदि सकारात्मक मार्जिन20मनाया जाता है तो बाद के समय में एक माध्यमिक शल्य प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। अमेरिकन सोसायटी ऑफ रेडिएशन ऑन्कोलॉजी द्वारा वर्तमान दिशानिर्देश इस सकारात्मक मार्जिन को परिभाषित करते हैं क्योंकि सतह स्तर के मार्जिन इंक21से संपर्क करने वाली कैंसर कोशिकाएं हैं। उच्च अवशोषण हाइड्रेटेड ऊतक के लिए THz इमेजिंग मुख्य रूप से ऊतक प्रकार के आधार पर कुछ अलग प्रवेश के साथ सतह इमेजिंग तक सीमित है, जो तेजी से मार्जिन मूल्यांकन की शल्य चिकित्सा जरूरतों को पूरा करने के लिए पर्याप्त है। सर्जिकल सेटिंग के दौरान मार्जिन की स्थिति का त्वरित विश्लेषण सर्जिकल लागत और अनुवर्ती प्रक्रिया दर में बहुत कमी आएगी। आज तक, THz फॉर्मेलिन-फिक्स्ड, पैराफिन-एम्बेडेड (एफएफपीई) ऊतकों में कैंसर और स्वस्थ ऊतकों के बीच अंतर करने में प्रभावी साबित हुआ है, लेकिन ताजा उत्पादित ऊतकों7में कैंसर का विश्वसनीय पता लगाने के लिए अतिरिक्त जांच की आवश्यकता है।
यह प्रोटोकॉल बायोबैंक से प्राप्त ताजा उत्पादित मानव ऊतक नमूनों पर THz इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी करने के लिए कदमों का विवरण देता है। ताजा उत्पादित मानव स्तन कैंसर के ऊतकों पर निर्मित THz अनुप्रयोगों का उपयोग शायद ही कभी प्रकाशित अनुसंधान7,18,,,22,23में किया गया हो, विशेष रूप से अस्पताल के साथ एकीकृत नहीं किए गए अनुसंधान समूहों द्वारा।, ताजा उत्पादित ऊतकों का उपयोग अन्य कैंसर अनुप्रयोगों के लिए इसी तरह दुर्लभ है, अधिकांश गैर स्तन मानव कैंसर उदाहरण पेटू कैंसर24,,25के लिए सूचित किया जा रहा है । इसका एक कारण यह है कि एफएफपीई ऊतक ब्लॉकों का उपयोग करना आसान है और हौसले से उत्पादित ऊतकों की तुलना में संभालना तब तक है जब तक कि अध्ययन के लिए इस्तेमाल की जा रही टीजेडजेड प्रणाली सर्जिकल वर्कफ्लो का हिस्सा नहीं है। इसी तरह, अधिकांश वाणिज्यिक प्रयोगशाला THz सिस्टम ताजा ऊतक को संभालने के लिए तैयार नहीं हैं, और जो लोग सेल लाइन विकास का उपयोग करने के चरणों में अभी भी हैं या केवल पशु मॉडल से उत्पादित ऊतकों को देखना शुरू कर दिया है। एक इंट्राऑपरेटिव सेटिंग के लिए THz लागू करने के लिए आवश्यक है कि इमेजिंग और लक्षण वर्णन कदम पहले से ताजा ऊतक के लिए विकसित किया जाना है ताकि विश्लेषण मानक विकृति प्रदर्शन करने की क्षमता के साथ हस्तक्षेप नहीं करता है । उन अनुप्रयोगों के लिए जो स्वाभाविक रूप से इंट्राऑपरेटिव होने के लिए नहीं हैं, ताजा ऊतक का लक्षण वर्णन अभी भी एक चुनौतीपूर्ण कदम है जिसे वीवो अनुप्रयोगों और भेदभाव की दिशा में काम करने के लिए संबोधित किया जाना चाहिए।
इस काम का उद्देश्य वाणिज्यिक टीजेड सिस्टम का उपयोग करते हुए हौसले से उत्पादित ऊतकों के लिए टीजेडए आवेदन के लिए दिशानिर्देश प्रदान करना है। इस प्रोटोकॉल को,13,17,19 को स्तन कैंसर ट्यूमर के लिए टीजेड इमेजिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रणाली26 पर विकसित किया गया था और इसे बायोबैंक7,18से प्राप्त मानव शल्य चिकित्सा ऊतक तक बढ़ाया गया था । जबकि प्रोटोकॉल स्तन कैंसर के लिए उत्पन्न किया गया था, एक ही अवधारणाओं को इसी तरह THz इमेजिंग सिस्टम और ठोस ट्यूमर कैंसर के अंय प्रकार है कि सर्जरी के साथ इलाज कर रहे है जहां सफलता मार्जिन मूल्यांकन27पर निर्भर करता है के लिए लागू किया जा सकता है । हौसले से उत्पादित ऊतकों पर प्रकाशित THz परिणामों की एक काफी छोटी राशि के कारण, यह लेखकों के ज्ञान के लिए पहला काम करने के लिए THz इमेजिंग और लक्षण वर्णन के लिए ताजा ऊतक हैंडलिंग के प्रोटोकॉल पर ध्यान केंद्रित है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
ताजा ऊतक की प्रभावी THz प्रतिबिंब इमेजिंग मुख्य रूप से दो महत्वपूर्ण पहलुओं पर निर्भर है: 1) ऊतक हैंडलिंग (वर्ग 2 और 4.15) का उचित विचार; और 2) चरण सेटअप (मुख्य रूप से धारा 4.11)। ऊतक के अपर्याप्त सुखाने के परिणामस्व?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान (एनआईएच) पुरस्कार # R15CA208798 द्वारा और भाग में राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (NSF) पुरस्कार # 1408007 द्वारा वित्त पोषित किया गया था । स्पंदित टीजेडजेड प्रणाली के लिए वित्तपोषण एनएसएफ/एमआरआई पुरस्कार # 1228958 के माध्यम से प्राप्त किया गया था। हम एनआईएच ग्रांट U42OD11158 के समर्थन से राष्ट्रीय रोग अनुसंधान इंटरचेंज (एनडीआरआई) द्वारा खरीदे गए ऊतकों के उपयोग को स्वीकार करते हैं। हम इस काम में संभाले गए सभी ऊतकों पर हिस्टोपैथोलॉजी प्रक्रिया आयोजित करने के लिए ओकलाहोमा स्टेट यूनिवर्सिटी में ओकलाहोमा एनिमल डिजीज डायग्नोस्टिक लेबोरेटरी के साथ सहयोग को भी स्वीकार करते हैं ।
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 |
References
- 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).
