Method Article

منتشر الطيفي الضوئي للتقييم الكمي الحاد الإشعاعات المؤينة الجلد المستحث السمية باستخدام نموذج الفأر

DOI:

10.3791/53573

⸱

May 27th, 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Radiation Oncology, University of Toronto, 2Department of Physics, Ryerson University, 3Department of Medical Biophysics, University of Toronto, 4Ontario Cancer Institute / Campbell Family Institute for Cancer Research

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نقدم نهجا طيفيا بصريا منتشرا (DOS) يوفر مؤشرات حيوية بصرية كمية لاستجابة الجلد للإشعاع. نصف تصميم أجهزة DOS وخوارزميات استخراج المعلمات البصرية وإجراءات التعامل مع المطلوبة لإنتاج بيانات تمثيلية من نموذج فأر قبل السريري للحمامي الناجمة عن الإشعاع.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

السمية الجلدية الحادة من الإشعاع المؤين (IR) هي أحد الآثار الجانبية الشائعة من الدورات العلاجية للعلاج الإشعاعي الخارجي (RT) وتؤثر سلبا على نوعية حياة المريض والبقاء على قيد الحياة على المدى الطويل. سمح التقدم في فهم المسارات البيولوجية المرتبطة بسمية الأنسجة الطبيعية بتطوير الأدوية التدخلية ، ومع ذلك ، فإن دراسات الاستجابة الحالية محدودة بسبب نقص المقاييس الكمية لتقييم شدة تفاعلات الجلد. نقدم هنا نهج طيفي بصري منتشر (DOS) يوفر مؤشرات حيوية بصرية كمية لاستجابة الجلد للإشعاع. نصف تصميم الأجهزة لنظام DOS بالإضافة إلى خوارزمية الانعكاس لاستخراج المعلمات البصرية. أخيرا ، لإثبات الفائدة السريرية ، نقدم بيانات تمثيلية من نموذج فأر ما قبل السريري للحمامي المستحثة بالإشعاع ونقارن النتائج بالتسجيل المرئي الشائع الاستخدام. تقدم طريقة DOS الموصوفة تقييما موضوعيا وعالي الدقة لسمية الجلد من خلال الاستجابة الوظيفية التي يمكن ترجمتها إلى الإعداد السريري.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

التحسينات التكنولوجية في العلاج الإشعاعي التخطيط (RT) وتسليم تسمح الآن للجرعات العلاجية امتثالي للغاية ليتم تسليمها إلى منطقة الورم، بينما في الوقت نفسه تجنيب الهياكل الطبيعية المحيطة. ومع ذلك، وسمية حادة وشديدة في بعض الأحيان لا يمكن تجنبها عندما يكون الهدف جرعة عالية هو على مقربة من الجلد. إذا كانت شديدة بما فيه الكفاية، يمكن أن تلف الأنسجة العادية الناتجة يؤثر سلبا على نتائج العلاج RT ونوعية حياة المريض 1،2.

وعلى الرغم من العواقب الضارة، وإدارة الحالية للحمامي الجلد الإشعاع لا تزال غير محددة، وتوظيف الكريمات أو المراهم التي تتجاهل الآليات البيولوجية الكامنة التي تؤدي إلى الضرر. وتعتمد هذه الطرق على تقليل الأعراض بدلا من الأسباب. وعلاوة على ذلك، فإن تعقيد توقيت وإدارة العلاجات التداخلية وفقا لطبيعة ونوعية الشخصية للتقييم الإشعاع إصابة الجلد. بينما العديد المعترف بهاالمنظمات (RTOG، EORTC) تقديم توصيات الدرجات البصرية والمؤسسات تختلف في اختيارهم للتسجيل المفضل، وبالتالي حجب مقارنات سمية الأنسجة الطبيعية لأغراض الفوقية التحليلات. وعلاوة على ذلك، هذه النظم الدرجات هي النفط وعرضة للتقلب بين المراقب، ان هذه الاختلافات في الإشعاع إصابة شدة قد يكون غير مدرك في دراسات تقييم استراتيجيات الحد من سمية.

بدلا من وصف بصريا درجة الاحمرار في الجلد المشع، وهو نهج بديل هو قياس المعلمات التي تصف كميا التغيرات الفسيولوجية الأساسية التي تحدث في الجهاز. وقد استخدمت الهيموغلوبين في الدم (الهيموغلوبين)، الأنسجة تشبع الأكسجين (STO 2) أو مستويات الهيموجلوبين المؤكسج (oxyHb) كوكلاء لحمامي الناجمة عن الإشعاع في الفئران 3-6. بعد التشعيع، مجموع مستويات الهيموغلوبين تخضع تقلبات، ولكن oxyHb أو STO 2 الخضوع لارتفاع حاد في وقت مبكر مميزة، تليهاالخريف وأكثر ثباتا ارتفاع 3،6 آخر. عندما يتم استخدام مواد مهيجة للحث على حمامي الجلد، ومستويات oxyHb الأوعية الدموية ترتبط مباشرة مع شدة حمامي المحلي والتهاب 7.

منتشر التحليل الطيفي الضوئي (DOS) يستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة لتوفير المعلومات وظيفية على المكونات الكيميائية الحيوية والمجهرية من مكونات الأنسجة الحيوية. وتوفر هذه الكمية، التكنولوجيا البصرية غير الغازية طريقة لقياس توسع الأوعية التي يسببها خلوى في الأوعية الدموية التي تحدث أثناء حمامي عبر عملائها الوظيفية للتركيز الهيموغلوبين وSTO 2. الدراسات الحديثة مقارنة المعلمات قياس DOS مع طرق التهديف السريرية التي تسيطر عليها 8-11 تشير إلى إمكانات تقنية للتغلب على القيود المتأصلة في الدرجات الحالي الأنظمة.

نحن هنا وصف أحد في المنزل، والمحمولة نظام، DOS الذي يستخدم بدائل وظيفية لDETE كمياالخلافات cting في الإشعاع الناجم عن سمية الجلد في نموذج الفأر ما قبل السريرية 5. قد توفر منصة صفت وسائل موحد التهديف حمامي مع حساسية عالية للكشف المبكر والتمايز خفية من الاستجابة للدواء التدخلية. وعلاوة على ذلك، مع تعديلات طفيفة فقط، قد يكون في نهاية المطاف يعملون في الأجهزة سريريا لرصد السرير في الوقت الحقيقي.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الطرق التالية وفقا للمبادئ التوجيهية للجنة الأخلاقيات رعاية الحيوان معهد بحوث سونيبروك.

نظام 1. منتشر الانعكاس الطيفي

  1. جمع منتشر الأطياف الانعكاس باستخدام يده، التحقيق الألياف الضوئية والمحمولة نظام اكتساب الطيفية التي تم وصفها سابقا (كيم وآخرون 2010) واستعرض بإيجاز في الشكل 1 (والتسميات ذات الصلة) للتأكد من اكتمالها 1،2.

2. إعداد نموذج الفأر الحاد الإشعاع تلف الجلد

  1. أجل 6 أسابيع الفئران القديمة (ويفضل أن يكون أصلع، مثل athymic أو SKH-1)، والسماح لهم للتأقلم في منشأة الحيوان لمدة أسبوع قبل بدء التجارب. احتياطي لا يقل عن 3 الفئران لمجموعة السيطرة غير المشع و5 الفئران لمجموعة المشع.
  2. قبل القياسات DOS خط الأساس والتشعيع، تسمية الفئران باستخدام اللكمات الأذن أو دائم علامة مarkings على الذيل. إذا الفئران ليست عارية، وإزالة الشعر على 2 سم في 2 سم رقعة من الجلد الجناح، ولكن هذا قد يسبب تهيج الجلد.

3. منتشر الضوئية الطيفي الحصول على البيانات

  1. بدوره على إمدادات الطاقة إلى الأجهزة الإلكترونية.
  2. للحصول على بشرة الماوس، تعيين المعلمات إشارة لاقتناء البرمجيات عن طريق الكتابة في 25 ميللي ثانية لوقت جمع 25 لالمتوسطات إشارة و1 لعرض مرشح عربة النقل. هذه المعايير توفر توازن معقول بين اكتساب الوقت وإشارة إلى الضوضاء.
  3. باستخدام برنامج الحصول على برمجة مخصصة، والحصول تلقائيا على خلفية القراءة، R BG (الصمام إيقاف) والانعكاس منتشر في مسافتين فصل مصدر كاشف، الاتفاقات البيئية المتعددة الأطراف R (260 ميكرون، 520 ميكرون) من خلال النقر على زر "اكتساب". الوقت الإجمالي الاستحواذ ~ 2 ثانية.
  4. إيقاف جميع أضواء غرفة الفلورسنت عن طريق الضغط على مفتاح ضوء الغرفة قبل إجراء القياسات.
    ملاحظة: Fluorescوالأنف والحنجرة ضوء الغرفة تتداخل مع إشارة الكشف عن (هذه الأضواء تنتج ضوء كثافة زمنية متفاوتة، وبالتالي فإنه من الصعب طرح كإشارة الخلفية). على الرغم من المصابيح المتوهجة قد تكون عاملة إبقاء الأضواء على مسافة من التحقيق DOS لتجنب مستويات خلفية عالية (والفقيرة إشارة إلى الضوضاء).

4. قياسات التخدير الحيوانية والأساس DOS

  1. إعداد آلة التخدير عن طريق ضمان أن تكون جميع التوصيلات سليمة والسائلة مستوى الأيزوفلورين كافية. استخدام غرفة التخدير تحريض مع أنبوب المرفقة ومخروط الأنف التي يمكن أن تكون مسجلة وصولا الى سطح مبطن بهدوء تعقيمها في متناول اليد مريحة لجنة التحقيق DOS.
  2. تخدير قفص واحد من الفئران في وقت واحد في غرفة تحريض عن طريق حفز مع 4٪ الأيزوفلورين لمدة 30 ثانية. خفض كمية الأيزوفلورين إلى 2٪ للدقيقة 2 المقبل. تحقق من أن الفأر هو مخدرة عن طريق ملاحظة أي رد من معسر في احد اصابع القدم من أطرافهم هند.
  3. بسرعةتحريك الماوس واحد على مساحة التحقيق DOS تعقيمها، وضعه على جانبه، ربط خطم لها في مخروط الأنف وفتح أنابيب مخروط الأنف لتدفق التخدير (2٪ الأيزوفلورين).
    ملاحظة: إذا كان الإجراء وقتا أطول من 1-2 دقيقة، وتطبيق التعليم والتدريب المهني مرهم على العينين لمنع جفاف.
  4. قبل الحصول على قياسات الجلد الماوس، تعقيم التحقيق من قبل القضاء مع 70٪ من الإيثانول. لا تعقيم الجلد.
  5. وضع مسبار بلطف على الجلد الجناح مع التأكد من تجنب تشتيت الأوعية الدموية المحلي. عقد لجنة التحقيق باليد لمدة القياس.
  6. الحصول على بيانات الانعكاس التي تحقق منطقة الجلد الجناح من حوالي 2 سم في 2 سم (المنطقة المراد المشع) باتباع تشكيل 5-نقطة على الموت. الحفاظ على هذا التحقيق نمط أو المنطقة أو الضغط التحقيق وهيئة الجانب (اليمين أو اليسار) ثابت لجميع القياسات اللاحقة.
    ملاحظة: إن مسح كامل يستغرق حوالي 60 ثانية. وينبغي أن يكون الضغط مسبار ما يكفي للحصول على المسح الضوئي دون تفريق لOCAL الأوعية الدموية.
  7. تحريك الماوس في قفص الانتعاش، وتحريك الماوس المقبل الى المنطقة تحقق DOS. كرر الخطوات من 4،2-4،6 حتى يتم قياس جميع الفئران. لا تترك حيوان غير المراقب حتى استعاد وعيه كافية للحفاظ على الاستلقاء القصية.

5. التشعيع الحيوان

ملاحظة: هذا البروتوكول يتطلب استخدام لirradiator، وربما تحتاج إلى تعديل لتلبية احتياجات جهاز irradiator إعداد الحيوان. خلال التشعيع، يجب أن يتعرض سوى مساحة صغيرة من الجلد الجناح لشعاع الإشعاع. يجب أن يكون موجودا في irradiator في منشأة معقمة وينبغي مراعاة المناسب تعقيم القفص عند عودته الفئران إلى منطقة السكن العقيمة بهم.

  1. إعداد آلة التخدير (كما في الخطوات 4،1-4،2) وتخدير الماوس في وقت واحد في غرفة الاستقراء قبل إعدادها للإشعاع.
  2. إزالة الماوس من غرفة تحريض والمولTLY قرصة الجلد الجناح ومكان الشريط مرارا وتحت الجلد امتدت، وتشكيل رفرف.
  3. ضع الماوس على مرحلة شبكي ويغطي الجسم مع رقصة الرصاص مخصصة (تصميم العمل هو مربع مستطيل مع الجزء السفلي، ونهاية واحدة على الأقل مفتوحة، جنبا إلى جنب مع نافذة جانبية للسماح للجلد الجناح ليتم سحبها من خلال). سحب رفرف الجلد من خلال نافذة تهزهز والشريط بلطف رفرف على خشبة المسرح.
    ملاحظة: تهزهز الرصاص مخصصة صغيرة بما يكفي لشل حركة الماوس. إذا لم العرف تهزهز شل تماما الماوس، ثم استخدم restrainers إضافية و / أو إدارة الكيتامين (80-100 ملغ / كلغ) وزيلازين (10-12،5 ملغ / كلغ) عن طريق الحقن داخل الصفاق للحفاظ على الماوس يجمد جميع أنحاء تشعيع كامل إجراء.
  4. ضع مرحلة شبكي مع رقصة والماوس في irradiator. تحديد إعدادات (المسافة الجلد من مصدر الأشعة السينية، والجهد، ومدة والتيار) وتقديم الجرعة المطلوبة (على سبيل المثال، 11 سم من 160 KVP X-راي المصدر ل2.5 دقيقة مع 6.3 مللي أمبير).
    ملاحظة: استخدم تنبيه مع مصدر الأشعة السينية عن طريق اتباع تعليمات استخدام الجهاز لتجنب الحروق وتلف الحمض النووي.
    ملاحظة: الفئران عارية Athymic تطوير التقشر الرطب حوالي 14 آخر أيام التشعيع ردا على 35 غراي، ولكن فقط التقشر غير مكتمل طفيفة مع 17 غراي.
  5. خذ الجهاز والماوس من irradiator، وإزالة الحجب، وإزالة الشريط ووضعه في قفص الانتعاش الفردي. عودة الماوس إلى القفص العادي لها المشتركة بعد أن تعافى من التخدير. كرر الخطوات من 5،2-5،4 لجميع الفئران، وتنفيذ عملية صورية في السيطرة على الفئران.
  6. بعد التشعيع، إيواء الحيوانات في ظروف عادية. إذا تطور السلوك الشاذ (على سبيل المثال، والتقوس في الجلوس، والتي قد تدل على الألم)، يجب استشارة الطبيب البيطري لتشخيص المشكلة. ويمكن أن تشمل تخفيف الألم إدارة 0.1 ملغم / كغم البوبرينورفين تحت الجلد أو حسب توجيهات الطبيب البيطري. إذا كان فقدان الوزن تتجاوز 20٪ من ب العاديةODY كتلة، منزل على حدة في قفص خاص بها وتوفير الغذاء ذات القيمة الغذائية العالية.

6. القياسات DOS المتابعة

  1. رصد وقياس الجلد رد فعل كثافة باستخدام تقنية DOS الكمية. الفحص البصري من التغيرات الجلدية والأعمال السابقة تشير إلى أن التغيرات الكبيرة في المعلمات DOS يمكن توقع (نسبة إلى خط الأساس) حوالي 6-12 أيام بعد التشعيع 3،4. ومع ذلك، منذ التغييرات ملموسة قد يستغرق مكان حتى في وقت سابق أو لاحق اعتمادا على نموذج، قد تكون نقطة زمنية القياس الأخرى مفيدة للتحقيق.
  2. نصب المعدات DOS والمعايرة كما هو موضح في قسم 3.Prepare آلة التخدير والحصول على قياسات DOS كما هو موضح في قسم 4.

7. بعد اكتساب المعالجة

ملاحظة: يتم تنفيذ جميع الخطوات في القسم التالي باستخدام برنامج مخصصة تم إنشاؤها في بيئة البرمجيات عالية الأداء. دير تسمية قياسيويعمل أيونات لكل ملف الاستحواذ الطيفي للسماح للتجهيز دفعة واحدة. موضحة جميع الخطوات في الشكل 2.

  1. طرح خط الأساس (الطابق الضوضاء) من جميع الأطياف يقاس بما في ذلك القراءة الخلفية.
  2. طرح القراءة الخلفية، R BG (الصمام إيقاف)، التي تم الحصول عليها في الخطوة 3.3 من الطيف القياس، الاتفاقات البيئية المتعددة الأطراف R.
    ملاحظة: للحصول على ما تبقى من هذه المادة ويفترض أن جميع الأطياف أن تكون الكلمة الضجيج وخلفية طرح ويشار إلى R المراسل.
  3. تحويل R المراسل إلى الانعكاس المطلق، R القيمة المطلقة، كما هو موضح في المراجع 1،2 في القسم 1.
    1. الحصول على قياسات الانعكاس النسبية، Rrel، في Intralipid 20٪ الأشباح (فريزينيوس كابي، السويد) الخيالات مع زيادة 3٪ كسور قسامة تصل إلى 48٪ (أي 3٪ و 6٪ و 9٪، ...، 48٪) و خلق من قطعة Rrel مقابل تركيز Intralipid.
    2. توليد مؤامرة المطلقة القيمة المطلقة R مقابل &# 956؛ ق "باستخدام معادلة الانتشار لانعكاس 14.
    3. مباراة القمة كل من المنحنيات وضبط Rrel محور س لتتناسب مع القيمة المطلقة R محور س.
    4. في الطول الموجي ومصدر للكشف عن فصل معين، مقياس المحور ص باستخدام:
      figure-protocol-1
      ملاحظة: في المقطع التالي، فإن كل تركيب القياسات تشير إلى R القيمة المطلقة.

تركيب 8. الطيفي البيانات

ملاحظة: يوضح المقطع التالي نظرية وخوارزمية المناسب تستخدم لاستخراج المعلمات الوظيفية من الفئران الجلد. لجميع العاملين النظرية، راجع المقالات التالية 14-18 والمراجع فيها. ويفترض كل المعادلات لبرمجتها في نهاية عالية بيئة البرامج العلمية (التي تحتوي على وحدات مبرمجة مسبقا) تستخدم عادة في الفيزياء أو الهندسة مختبرات.

  1. برمجة وظيفة التي تصف لbsorption الطيف، ميكرون و(λ) من الجلد كمجموع حاملات الفردية ذات الصلة في النطاق الطيفي الاهتمام باستخدام المعادلة:
    figure-protocol-2
    هنا، H b هو مجموع تركيز الهيموغلوبين (ز / لتر)، في حين STO 2 هو تشبع الأكسجين الكمية اللابعدية تتراوح 0-1.
  2. الحصول على الأوكسجين، figure-protocol-3 وديوكسي، figure-protocol-4 والخضاب الأطياف (المخزنة على شكل ملفات نصية) من جمع على الخط Prahl 19.
  3. برمجة وظيفة أن يصف الطيف تناثر الجلد، figure-protocol-5 ، وذلك باستخدام الاعتماد قانون القوة، حيث A (سم -1) هي قيمة μ ق "في λ س = 1 نانومتر و k هو عامل قوة يعتمد المتوسط16.
  4. برنامج وظيفة رياضية للنموذج إلى الأمام الانعكاس منتشر على أساس المعادلات من إشارة 14 التي تتضمن المعادلات الطيفية من خطوات 8،2-8،3 في وظيفة نموذج الأمام (أي، R (ص، ميكرون و(λ)، ميكرون الصورة "(λ )) = R (ص، ح ب، STO 2، A، K).
    ملاحظة: على الرغم من وجود نماذج مختلفة، توفر حالة استقرار نظرية نشر المعادلة وصف بسيط ودقيق لتوزيع الضوء في الأنسجة.
  5. برنامج وظيفة أن الساحات الفرق بين الأمام على غرار انعكاس أطياف من القسم 8.4 والأطياف الانعكاس قياس.
  6. تكرارا تغيير H ب، STO 2، A، وك حتى أقل وظيفة الساحات الفرق في القسم 8.5 هو أصغر. lsqcurvefit ماتلاب ويمكن استخدامها لتنفيذ هذه الخطوة تلقائيا.
  7. Repeaر الخطوات 8،5-8،6 للحصول على المعلمات DOS (H ب، STO 2، A، وك) لجميع مجموعات البيانات الانعكاس قياسها.
  8. رسم التغير النسبي في المعلمة DOS مع قياس خط الأساس فريد المقابلة باستخدام متوسط ​​مجموعة كل فأر من 3-5 القياسات التحقيق بقعة طبيعية. يتم إنشاء هذه المؤامرات باستخدام الأمر مؤامرة ماتلاب ل.

9. المرئية الإشعاع التهاب الجلد الفترة التهديف

  1. رصد وتسجيل الجلد رد فعل كثافة باستخدام مقياس الدرجات النوعي (انظر دوغلاس وفاولر الدرجات على نطاق و20) بعد التشعيع كل 48 ساعة (واحد يمكن أيضا مراقبة التغيرات 3-24 ساعة بعد التشعيع). محققان المعمى مثالية. الحصول على الصور مع الكاميرا وإشارة نطاق باليد (أي الحاكم) قد تساعد في عمليات التقييم.
  2. ملاحظة: تسجيل النقاط الجلد بعد كل يومين التشعيع قد تساعد في تحديد الأوقات قياس DOS المثلى FOص النموذج. أكثر تواترا التهديف قد تسفر عن بيانات هامة اعتمادا على نموذج والبحوث السؤال.
  3. رسم متوسط ​​من كل مجموعة في كل نقطة زمنية. مقارنة المجموعات في نقطة زمنية معينة أو مناطق الشاملة متوسط ​​تحت كل منحنى.
  4. بعد أن اتبعت الفئران لنقطة شفاء الجلد الذي هو المطلوب (على سبيل المثال، 4 أسابيع)، الموت ببطء الفئران باستخدام أسلوب المناسب (المعتمد).

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

توفر تقنية الانعكاس DOS بديل موضوعي لأساليب النوعية التقليدية لتقييم الإشعاع الناجم عن سمية الجلد. التغيرات البصرية في مظهر الجلد بعد جرعات سامة من الإشعاع بوصفها تغييرات في كل من حجم وشكل الأطياف الانعكاس قياسها. ترتبط كل من تغييرات وظيفية في المجهرية الخلوية الكامنة والدولة الأنسجة الفسيولوجية. في هذا القسم، يتم مراجعة نتائج ممثلة من الأعمال المنشورة سابقا من قبل يوهان وآخرون. 2014 5.

الشكل 3 (يسار) وتظهر الأطياف (خطوط زرقاء رقيقة) التمثيلية تقاس في 260 ميكرون مصدر فصل في نموذج الفأر athymic حمامي الجلد بعد 6 أيام 40 غراي التشعيع. بالمقارنة مع ما قبل التشعيع (الشكل 3، اللوحة اليمنى)، ويلاحظ الاختلاف في الشكل الطيفي في ~ 550-650 نانومتر، شابه بسبب اعل إلى زيادة في الهيموجلوبين بالأكسجين. وينظر الى ارتفاع طفيف في الانعكاس المطلق أيضا أن يرتبط بزيادة في السلطة نثر الأنسجة. أطياف الملحوظ في يوم 6 تشعيع التالية يرتبط إلى درجة الجلد المرئية 0.75.

تقييم التغييرات الانعكاس آخر التشعيع بأطوال موجية محددة لا يجعل استخدام الطيف الانعكاس الكامل وأيضا يحمل قضية المحتملة للحساسية الضوضاء. ومع ذلك، من المناسب الطيف الكامل يسمح مجموعة البيانات بالكامل لتحويلها إلى المؤشرات الحيوية البصرية بديهية (H ب، STO 2) الشكل 3 تظهر نوبات الناتج (الخط الأخضر الصلبة) من البيانات المقاسة (خط صاخبة رقيقة) باستخدام المعادلات قدم في القسم لوحظ 4. اتفاق ممتاز، مؤكدا أن اختيار حاملات أساس ونثر شكل تصف بدقة نموذج الجلد الماوس.

FO: المحافظة على together.within الصفحات = "1"> نظرا لغير الغازية وطبيعة نظام DOS الذاتي معايرة، وقياسات لا يمكن أن يؤديها بشكل ملائم خلال عدة أيام في ظروف الإضاءة المختلفة ويبين الشكل 4 التغيرات النسبية في الجلد STO 2 لمختلف نقاط الوقت (6، 9، 12 يوما) في الفوج الماوس المشع (ن = 8)، في حين يبين الشكل 5 النوعية عشرات رد فعل الجلد المقابلة. ويلاحظ وجود زيادة مطردة في STO 2 التي تختلف إحصائيا مقارنة قيم ما قبل التشعيع على كل 3 أيام (ف <0.05). هذه الاتجاهات تعكس الزيادة احظ بصريا في تلف الجلد خطورة أن الذروة في اليوم 12 (متوسط ​​درجة من ~ 3) مما يدل على إمكانية STO (2)، وسجل البديل البصرية (الشكل 5).

وتجدر الإشارة إلى أن أي تغييرات ذات دلالة إحصائية شوهدت لأي من المؤشرات الحيوية البصرية عاد لغير المشع المجموعة الضابطة (ن = 3) على مدى 12 يوما قياس (لا تظهر البيانات). ويمكن أيضا أن التغيرات في ألف وك يمكن رصدها على مر الزمن (الشكل 6)، وهذه إشارة إلى أن خصائص نثر من الجلد تتغير استجابة للإشعاع.

figure-results-1
الشكل 1. الأجهزة DOS. (A) تخطيطي لمنتشر الهندسة قياس الانعكاس (ب) والالياف البصرية التحقيق: التحقيق بصري يتكون من مجموعة خطية من 200 ميكرون الألياف البصرية الأساسية التي هي واحدة إلى G إبرة معدنية 18 ومتباعدة 260 ميكرون بعيدا. تقترن اثنين من الألياف المصدر إلى اثنين من الثنائيات التي ينبعث منها ضوء النطاق العريض أثناء توصيل الألياف الكشف لمطياف ضوئي. من خلال تحويل بالتتابع على كل من المصادر، يمكن مطياف جمع الانعكاس منتشر على مسافات من 260 ميكرون و520 ميكرون من كل من الألياف المصدر (C) نظام DOS كاملة بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر المحمول، الألياف الضوئية المرفقة التحقيق والبصرية مربع: يتم استخدام البرنامج للحصول على البيانات آليا لقيادة مجموعة متتابعة من الأطياف. ويعيش الالكترونيات في مربع الاستحواذ الذي يصل إلى التحقيق من الألياف البصرية عبر موصلات SMA. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
. الرقم 2 معالجة الطيفي جميع جداول محور س هي في نانومتر: (A) الأطياف النسبي الخام والأساس هو قراءة ما يقرب من بين 900 - 1000 نانومتر، وعلى قدم المساواة تقريبا مع إشارة الخلفية (ب) القراءة الخلفية النسبية (C. ) الخلفية والأساس طرح الصورة النسبية pectra. (D) معايرة الاطلاق الطيف التالية التحجيم من أطياف معالجتها هو مبين في (C). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الشكل 3. نموذجي الأبيض أطياف ضوء الانعكاس من (اليمين) الماوس الجلد 6 أيام غير المشع (يسار) والمشع نشر التشعيع. اتفاق ممتاز بين القياس (صاخبة الأزرق) وتناسبها (أخضر ثابت) عادة لوحظت. وشوهد اثنان الاختلافات الرئيسية بين المجموعتين: 1) زيادة إجمالية في الانعكاس المطلق و2) تغير واضح في الشكل الطيفي بين 550-600 نانومتر. بإذن من يوهان وآخرون. 2014 5.> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4
الرقم 4. تغيير في جزء الأوكسجين في الجلد الماوس بعد 40 غراي التشعيع. وخط الأساس تطبيع فرق المتوسط ​​بين المجموعتين (في الماوس) مهم ليوم 6 (الإطار 1)، 9 (الإطار 2) و 12 (الإطار 3 ). بإذن من يوهان وآخرون. 2014 5. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5
الرقم 5. متوسط ​​النوعي تفاعلات جلدية عشرات (ن = 8) كدالة للأيام التالية 40 غراي معرضا للاشعاع الجلد الفئران. مقتبس من يوهان وآخرون. 2014 5. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6
الشكل 6. التغيرات النسبية في ألف وك البشرة الماوس بعد 40 غراي التشعيع على أيام 6 (الإطار 1)، 9 (الإطار 2) و 12 (الإطار 3). التغيير في (الجانب الأيسر)، وك (الجانب الأيمن) في يوم 6 (الإطار 1، الجانبين الأيسر والأيمن) وجدت لتكون معنوي (p <0.026). بإذن من يوهان وآخرون. 2014 5. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد تم تقديم نهج DOS لتقييم كمي السميات الجلد الإشعاع باستخدام المؤشرات الحيوية البصرية. تتطلب أنظمة التهديف البصرية سمية الجلد تدريب الخبراء وحتى ذلك الحين عرضة للتقلب بين المراقب والذاتية. النظام وتحليل البرامج DOS سهلة الاستعمال، يتطلب الحد الأدنى من التدريب وإرجاع المعلمات الوظيفية موضوعية لتفسير التغيرات الفسيولوجية في الجلد. وعلاوة على ذلك، بدلا من واصفا ظهور الآفة الجلدية كمعلمة واحدة، تقدم DOS ثروة من المعلومات في شكل الطيفي، الخصائص البصرية والوظيفية المعلمات / المجهرية التي توفر قدرا إضافيا من حساسية وخصوصية لا تتوفر في وسائل التهديف النوعية الحالية. المادتين 1 و 7 تسليط الضوء على خطوات المعالجة الرئيسية للحصول على البيانات الطيفية المطلقة التي يمكن استخدامها لتركيب الكمي من المؤشرات الحيوية البصرية. الخلفية والطرح الأساسية هي حيوية للسماح للمستخدم لأداءالقياسات DOS في ظل ظروف الإضاءة العادية. ويقدم القسم 8 نماذج ومعادلات بحاجة إلى وصف الفئران athymic قبل وبعد التشعيع الأشعة السينية اللازمة. هنا، واختيار من امتصاص المناسبة أمر حيوي لوصفا دقيقا للأطياف قياس. ينصح أن المستخدم تحقيقا شاملا في الأدب امتصاص الرئيسية التي تهيمن على نطاق الطول الموجي والأنسجة من الاهتمام المستخدمة في دراسة معينة قبل بناء نموذج تركيب العلامات البيولوجية البصرية. وأخيرا، أقسام 3-5 تصف التعامل مع الفئران athymic خلال الاستحواذ DOS. لتجنب تعطيل الأوعية الدموية المحلي، استخدام القوة لطيف لوضع مسبار DOS على سطح الجلد الماوس.

بينما غير مكلفة نسبيا مقارنة بأنظمة الكاميرا الفائقة الطيفية 3،4، وتحديد واضح لنهج DOS وصفها هو استخدام مسبار نقطة لقياس الانعكاس منتشر. هذه الضروريات الانعكاس هندسة اتصال لطيف مع الجلد ولديه القدرة على تقديم ارتياب في القياس عن طريق تشتيت الأوعية الدموية إذا لم يتم توظيف ثابت الضغط التحقيق الجلد. التصاميم المستقبلية لجنة التحقيق DOS قد تتضمن جهاز استشعار الضغط للحفاظ على نتائج متسقة. وعلاوة على ذلك، في حين أن استخدام وثيقة الانفصال مصدر للكشف عن (<2-3 ملم) يسمح للأعماق تفحصا البصرية محددة على سطح الجلد، وتحسين نوعية تأتي في فقدان القرار المكانية مقارنة 2D التصوير الطيفية. للحد من هذا القيد، مسح الربع 5 نقطة الذي يلتقط كان يعمل حجم المشع العام. وعلى الرغم من عدم وجود قرار المكاني، وقد أظهرت الأعمال السابقة في الفئران 5 قدرة المؤشرات الحيوية الضوئية بمعدل متوسط ​​على منطقة قليلة السكان للتمييز ليس فقط الجلد المشع وغير المشع ولكن أيضا تأثير الجلد تجنيب المخدرات التدخلية مثل Vasculotide 6.

وتجدر الإشارة إلى أنه في حين أن التصميم العام للنظام يمكن تعديلها للبشرة مختلفة نماذج، قد تحتاج إلى أن يكون الأمثل الكامنة أساس الأطياف ونثر الشكل. على وجه التحديد، في حين oxy- وديوكسي-هب وصف جيدا نموذج الفأر athymic، وتطبيق نفس النموذج على البشرة الداكنة قد تتطلب إضافة الميلانين لتركيب الأمثل. وبالإضافة إلى ذلك، تمديد DOS عرض النطاق الترددي لموجات ارتفاع من شأنه أن> 950 نانومتر يتطلب إضافة المياه، التي تهيمن على موجات أعلى. وعلاوة على ذلك، النماذج الحيوانية مع سمك الجلد المختلفة قد تتطلب فصل مصدر للكشف عن مختلف لتحسين حساسية العمق. وأخيرا، فإن ميزة أصلع يجعل خوارزميات أبسط. على الرغم من أن نماذج غير أصلع قد يكون الأمثل للأسئلة بحثية معينة، فإنها تتطلب إزالة الشعر قبل القياسات DOS، وتهيج الجلد من هذه العملية قد تؤثر على النتائج. للبحث حيث إجمالي الوظيفة المناعية أمر بالغ الأهمية، ماوس أصلع مناعيا (على سبيل المثال، SKH-1) قد تكون بمثابة نموذج أفضل نظرا لطبيعتها euthymic.

والأنف والحنجرة "> اعتبارات هامة لقياس التحقيق DOS هي ثابت RT وتقدير من المنطقة المعرضة للإشعاع ويمكن تقلبات درجة الحرارة تؤثر على الأنسجة الهيموغلوبين وSTO مستويات 2. قياس مجموعة من 3 الحيوانات غير المشع في كل مرة جمع البيانات قد تكون بمثابة الأساس ل التي التقلبات البيئية غير مقصودة في القيم المعلمة يمكن تطبيع. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون المنطقة المعرضة للإشعاع الصعب تقدير (إذا كانت التحضيرات رفرف الجلد لا تتفق) قبل أن يبدأ الضرر لإظهار بصريا حول يوم 5 (40 غراي). في حالة استخدام علامة دائمة سوداء ل نقطة حدود الجلد المعرضة للإشعاع، وتجنب استخدام الحبر المفرط لمنع تلطخ الحبر، والتي يمكن أن تمس القراءات.

ميزة إضافية لهذا النظام القدرة على الفصل بين الامتصاص من خصائص نثر. بينما توفر أيضا أنظمة التصوير الفائقة الطيفية بديلة القدرة على رصد oxyHb وتركيز الهيموغلوبين، وهندسة الفضاء الحر ط التصوير الطيفية لعجزه عن حل التغييرات نثر. قد يؤدي هذا القيد في عدم دقة في عاد oxyHb، هب وSTO 2 المعلمات إذا تغييرات كبيرة في نثر تحدث بسبب حمامي (احمرار). وعلاوة على ذلك، رصد التغيرات نثر باستخدام DOS قد توفر المؤشرات الحيوية البصرية إضافية لتقييم حمامي. كما هو مبين في الشكل (6)، والنتائج الأولية من يوهان وآخرون (2014) تشير إلى أن ألف وك تدل على اتجاه الزمنية التالية الإشعاعات المؤينة التي لا ترتبط مع الاتجاهات التي لوحظت من طرق بديلة أخرى مثل نظم التهديف البصرية. هذا يدل على أن التغييرات نثر لا يعبر بطريقة وصفية بصريا وقد تكون في الواقع تصف عملية بيولوجية منفصلة. ولذلك، بالمقارنة مع الطرق البديلة، ويوفر DOS دقة عالية للتغييرات نثر سطحية، وسيلة لتحقيق رواية المؤشرات الحيوية تلف الجلد التي قد تكون منفصلة من القياسات المعتادة القائمة على الهيموغلوبين.

jove_content "> على الرغم من أن لدينا نموذج يستخدم جرعة واحدة كبيرة من الإشعاع (بدلا من عدة جرعات مجزأة الصغيرة التي تستخدم في إعداد سريرية)، وهذا يقلد الفيزيولوجيا المرضية لالحادة الإشعاعية جلد الإنسان 21. ومن المتوقع أنه قد DOS مع توفير مزيد من التحسين نهج كمي للتسجيل الآلي وموحد من الإشعاع الناجم عن ردود فعل الجلد، وبعد إتقان هذه التقنية، ويمكن أن تشمل التطبيقات المستقبلية الخلافات بين الجلد العلاجات تجنيب الرصد (على سبيل المثال، مقارنة مستويات oxyHb بين السيطرة والعلاج التجريبي للالحماية الراديوية الجلد، أو لالتئام الجروح تعزيز ). وبينما مثالية للالإنتاجية العالية فحص المخدرات في النماذج الحيوانية، ونظام DOS يحتمل قابلة للتكيف مع البيئة السريرية نظرا لسهولة الاستخدام والقدرة على قياس في ظروف الإضاءة العادية. في هذه الحالة، وتصميم المسبار قد تتطلب تعديلات طفيفة مع فصل optode أكبر قليلا لحسابسمك زيادة من جلد الإنسان. ومن شأن نظام DOS السريرية تسمح للتقييم على الانترنت من العلاجات التداخلية التي يمكن أن تقلل ردود فعل الجلد المؤلمة وتحسين راحة المريض والامتثال. في المستقبل، قد يكون من المثير للاهتمام أن توسيع الكمي المستندة إلى DOS إلى ميزات الإشعاع الناجم عن المزمن تلف الجلد (على سبيل المثال، والتليف).

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم هذا العمل من خلال المنح البحثية الممنوحة ل SKL من Abbott CARO (الرابطة الكندية لأطباء الأورام بالإشعاع) وجوائز إشعاع أورام المسالك البولية ومؤسسة Alan E. Tiffin. تم دعم EK من قبل منحة فريدريك بانتينج وتشارلز بيست كندا للخريجين ، وزمالة Scace للخريجين في أبحاث سرطان البروستاتا وزمالة Paul Starita لطلاب الدراسات العليا.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
الفئران العارية< م > على سبيل المثال ، < / م > تشارلز ريفرالآثيمية عارية Crl: NU (NCr) -Foxn1nu ، أو عارية ذات كفاءة مناعية Crl: SKH1-Hrhr
تشعير الصغيرة   ؛<م > على سبيل المثال ، < / em> شركة Faxitron X-Ray Corp.الفاكسيترون CP160
التخدير الحيواني في حالة استخدام آلة مبخر الأيزوفلوران مع غرفة الحث ، تحتاج إلى أنبوب ومخروط أنف.
مرحلة الرقصة الرصاصية وزجاج شبكيحسب الطلبإذا كان جهاز الرادياتير يعرض جسم بالكامل للإشعاع ، فيجب استخدام درع الرصاص لفضح رفرف الجلد فقط.
شريط طبي 
علامة دائمة / لكمة
MatlabMathworks Inc., Natick, MAمع StatisticsToolbox 
LabviewNational Instruments ، Vaudreuil-Dorian ،
DOS
مضاعف الإرسال البصريOcean Optics ، دنيدن ، فلوريداموديل MPM-2000
مطيافبصريات المحيط ، دنيدن ، فلوريداموديل S200
مصدر الضوء الأبيضبصريات المحيط ، دنيدن ، فلوريداموديل LS-1
Intralipid-20٪فارماسيا كابي ، نيويورك ، نيويورك
معيار الانعكاسINO ، مدينة كيبيك ، QB
الأذن نظام QB

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Radiobiology for the Radiologist. , J.B. Lippincott Company. Philadelphia. (2011).">Hall, E. J., Giaccia, A. J. Radiobiology for the Radiologist. , J.B. Lippincott Company. Philadelphia. (2011).
  2. Ionizing Radiation: The Good, the Bad, and the Ugly. J Invest Dermatol. 132, 985-993 (2012).">Ryan, J. L. Ionizing Radiation: The Good, the Bad, and the Ugly. J Invest Dermatol. 132, 985-993 (2012).
  3. Hyperspectral imaging for early detection of oxygenation and perfusion changes in irradiated skin. J Biomed Opt. 17 (2), (2012).">Chin, M. S., et al. Hyperspectral imaging for early detection of oxygenation and perfusion changes in irradiated skin. J Biomed Opt. 17 (2), (2012).
  4. Skin perfusion and oxygenation changes in radiation fibrosis. Plast. Reconstr. Surg. 131 (4), 707-716 (2013).">Chin, M. S., et al. Skin perfusion and oxygenation changes in radiation fibrosis. Plast. Reconstr. Surg. 131 (4), 707-716 (2013).
  5. Quantitative monitoring of radiation induced skin toxicities in nude mice using optical biomarkers measured from diffuse optical reflectance spectroscopy. Biomed. Opt. Express. 5 (5), 1309-1320 (2014).">Yohan, D. Quantitative monitoring of radiation induced skin toxicities in nude mice using optical biomarkers measured from diffuse optical reflectance spectroscopy. Biomed. Opt. Express. 5 (5), 1309-1320 (2014).
  6. Vasculotide, an Angiopoietin-1 mimetic reduces acute skin ionizing radiation damage in a preclinical mouse model. BMC Cancer. 14, 614(2014).">Korpela, E. Vasculotide, an Angiopoietin-1 mimetic reduces acute skin ionizing radiation damage in a preclinical mouse model. BMC Cancer. 14, 614(2014).
  7. In vivo documentation of cutaneous inflammation using spectral imaging. J. Biomed. Opt. 12 (5), 051603(2007).">Stamatas, G. N., Kollias, N. In vivo documentation of cutaneous inflammation using spectral imaging. J. Biomed. Opt. 12 (5), 051603(2007).
  8. Prognostic factors for acute and late skin reactions in radiotherapy patients. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 36, 1065-1075 (1995).">Turesson, I., Nyman, J., Holmberg, E., Oden, A. Prognostic factors for acute and late skin reactions in radiotherapy patients. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 36, 1065-1075 (1995).
  9. Evaluation of the effect of topical agents on radiation-induced skin disease by reflectance spectrophotometry. J. Pharm. Pharmacol. 62 (6), 779-785 (2010).">Rizza, L., D'Agostino, A., Girlando, A., Puglia, C. Evaluation of the effect of topical agents on radiation-induced skin disease by reflectance spectrophotometry. J. Pharm. Pharmacol. 62 (6), 779-785 (2010).
  10. Does aqueous or sucralfate cream affect the severity of erythematous radiation skin reactions? A randomised controlled trial. Radiother. Oncol. 73 (2), 153-162 (2004).">Wells, M., et al. Does aqueous or sucralfate cream affect the severity of erythematous radiation skin reactions? A randomised controlled trial. Radiother. Oncol. 73 (2), 153-162 (2004).
  11. The radiotherapeutic injury-a complex 'wound'. Radiother. Oncol. 63 (2), 129-145 (2002).">Denham, J. W., Hauer-Jensen, M. The radiotherapeutic injury-a complex 'wound'. Radiother. Oncol. 63 (2), 129-145 (2002).
  12. A fiberoptic reflectance probe with multiple source-collector separations to increase the dynamic range of derived tissue optical absorption and scattering coefficients. Opt. Express. 18, 5580-5594 (2010).">Kim, A., Roy, M., Dadani, F., Wilson, B. C. A fiberoptic reflectance probe with multiple source-collector separations to increase the dynamic range of derived tissue optical absorption and scattering coefficients. Opt. Express. 18, 5580-5594 (2010).
  13. Quantification of in vivo fluorescence decoupled from the effects of tissue optical properties using fiber-optic spectroscopy measurements. J. Biomed. Opt. 15, 067006(2010).">Kim, A., Khurana, M., Moriyama, Y., Wilson, B. C. Quantification of in vivo fluorescence decoupled from the effects of tissue optical properties using fiber-optic spectroscopy measurements. J. Biomed. Opt. 15, 067006(2010).
  14. A diffusion theory model of spatially resolved, steady-state diffuse reflectance for the noninvasive determination of tissue optical properties in vivo. Med. Phys. 19 (4), 879-888 (1992).">Farrell, T. J., Patterson, M. S., Wilson, B. C. A diffusion theory model of spatially resolved, steady-state diffuse reflectance for the noninvasive determination of tissue optical properties in vivo. Med. Phys. 19 (4), 879-888 (1992).
  15. Hemoglobin oxygen saturations in phantoms and in vivo from measurements of steady-state diffuse reflectance at a single, short source-detector separation. Med Phys. 31 (7), 1949-1959 (2004).">Finlay, J. C., Foster, T. H. Hemoglobin oxygen saturations in phantoms and in vivo from measurements of steady-state diffuse reflectance at a single, short source-detector separation. Med Phys. 31 (7), 1949-1959 (2004).
  16. Predictions and measurements of scattering and absorption over broad wavelength ranges in tissue phantoms. Appl Opt. 36, 949-957 (1997).">Mourant, J. R., Fusilier, T., Boyer, J., Johnson, T. M., Bigio, I. J. Predictions and measurements of scattering and absorption over broad wavelength ranges in tissue phantoms. Appl Opt. 36, 949-957 (1997).
  17. Uniqueness and wavelength optimization in continuous-wave multispectral diffuse optical tomography. Opt. Lett. 28, 2339-2341 (2003).">Corlu, A. Uniqueness and wavelength optimization in continuous-wave multispectral diffuse optical tomography. Opt. Lett. 28, 2339-2341 (2003).
  18. Interstitial point radiance spectroscopy of turbid media. J App Physics. 105, 102025(2009).">Chin, L., Lloyd, B., Whelan, W. M., Vitkin, A. Interstitial point radiance spectroscopy of turbid media. J App Physics. 105, 102025(2009).
  19. Tabulated Molar Extinction Coefficient for Hemoglobin in Water. , http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin/summary.html (1998).">Prahl, S. Tabulated Molar Extinction Coefficient for Hemoglobin in Water. , http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin/summary.html (1998).
  20. The effect of multiple small doses of X rays on skin reactions in the mouse and a basic interpretation. Radiat. Res. 178 (2), AV125-AV138 (1976).">Douglas, B. G., Fowler, J. F. The effect of multiple small doses of X rays on skin reactions in the mouse and a basic interpretation. Radiat. Res. 178 (2), AV125-AV138 (1976).
  21. Animal models for medical countermeasures to radiation exposure. Radiat. Res. 173 (4), 557-578 (2010).">Williams, J. P., et al. Animal models for medical countermeasures to radiation exposure. Radiat. Res. 173 (4), 557-578 (2010).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Diffuse Optical SpectroscopyRadiation Skin ToxicityMouse ModelQuantitative BiomarkerOptical ParametersSource Detector SeparationTissue Oxygen SaturationVisual ScoringRadiation TherapyPreclinical Model

Related Articles