用于肿瘤大小测量质量控制的临床前多模态模体的构建：基于仿组织材料

摘要

本文介绍了使用模拟组织（TM）材料构建临床前多模态体模的内部操作流程，该体模用于动物成像技术（如超声（US）、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI））中肿瘤大小测量的质量保证（QA）。

摘要

世界卫生组织（WHO）和实体瘤疗效评价标准（RECIST）工作组分别于20世纪80年代和90年代提出了针对抗肿瘤药物治疗后实体瘤影像学评估的标准化标准。WHO标准采用二维测量法评估实体瘤，而RECIST标准仅采用一维测量法，后者被认为具有更高的可重复性^{1, 2, 3,4,5}。这些标准已被广泛用作美国食品药品监督管理局（FDA）唯一批准的影像学生物标志物⁶。因此，为了在影像上准确测量肿瘤对抗肿瘤药物的治疗反应，必须建立完善的质量保证（QA）程序及相应的QA模体。

为满足这一需求，作者基于RECIST标准所规定的有限数量的目标病灶，通过改进Gammex超声商用模体⁷，使用仿组织（TM）材料构建了一个用于超声（US）、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）的临床前多模态模体。Lee et al. 的附录展示了该模体制造的具体步骤⁷。本文以逐步说明的方式介绍了全部实验方案，首先介绍用于在模体中浇铸模拟肿瘤测试物体的硅胶模具的制备步骤，随后介绍适用于多模态成像的仿组织材料的制备，最后介绍临床前多模态质量保证（QA）模体的构建过程。本文的主要目的是提供完整的操作流程，使任何有兴趣的研究人员均可独立为其自身项目构建该模体。使用该质量保证模体制作的测试物体在多个机构中进行的肿瘤大小测量的质量保证流程，以及RECIST、WHO和体积测量结果的详细数据，已在Lee et al.⁸中全面展示。

引言

评估肿瘤大小的变化是评价抗肿瘤药物在肿瘤缩小和疾病进展方面活性的重要终点^{9, 10}。世界卫生组织（World Health Organization, WHO）和实体瘤疗效评价标准（Response Evaluation Criteria in Solid Tumors, RECIST）是用于超声（US）、计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）等影像学手段对肿瘤病灶进行解剖学评估的规范化方法。根据WHO标准，需计算靶病灶在横断面的最大直径与其最大垂直直径的乘积⁴。而根据RECIST标准，则需计算有限数量靶病灶在横断面最长直径之和⁴。尽管对肿瘤治疗反应评估的兴趣持续增长，但目前尚无针对该影像学生物标志物的临床前质量保证（QA）模体或QA操作流程。

鉴于基于 WHO 标准和/或 RECIST 的肿瘤大小测量是美国食品药品监督管理局（FDA）唯一批准的影像学生物标志物，作为其他影像学生物标志物质量保证（QA）的起点，Lee et al. 与 Gammex 公司合作设计并构建了 UTHSCSA/Gammex 第 1 代和第 2 代模体，用于肿瘤大小测量的质量保证⁷。第 1 代模体是 Gammex 商用超声模体的改进版本，因此体积过大，无法适配动物 CT 和 MR 扫描仪。此外，第 1 代模体中的部分工具对于肿瘤大小测量而言并非必需。第 2 代模体则基于最新获得 FDA 批准....

方案

1. 模体设计

预临床多模态模体的示意图如图所示 图1 ^{7, 8}该模体直径为38 mm，长度为115 mm，可适用于多种动物扫描仪。模体内包含五个模拟肿瘤的测试物体（直径分别为14、10、7、4和2 mm），置于模体内部深度10 mm处。

2. 硅胶模具的构建

本节所述方法用于制备硅胶模具，以浇铸模拟肿瘤的测试物体⁷。制备硅胶模具所需的所有丙烯酸板和棒材均在美国德克萨斯大学健康科学中心圣安东尼奥分校（UTHSCSA）机加工车间进行切割，加工精度为25 μm。

1. 在两块亚克力底板（尺寸：4.2 cm × 11.5 cm × 0.9 cm）上分别制作五个用于测试物体的孔（直径：14、10、7、4、2 mm）和另外五个用于对准杆的孔（直径：6 mm）（图 2A）。
2. 切割高度分别为 7、5、3.5、2 和 1 mm 的间隔片对（尺寸：1.0 cm × 5.5 cm）（图 2B）。
3. 准备钢球（直径：14、10、7、4 和 2 mm，精度：2.5 μm）。
4. 依次将两对高度为 7 mm 的间隔片和一块底板放置在一块薄亚克力板上，并使用C型夹固定（

结果

图3B 和 图5 分别展示了用于浇铸测试物体的两个硅胶模具以及多模态成像体模。每个模具的长 × 宽 × 深为 109 mm × 37 mm × 21 mm，两个模具互为相同的镜像。其中一个模具设有直径 1 mm 的孔，可用于插入肿瘤模拟物（TM）材料，操作时使用细针。每个模具还额外设有五个用于对准杆的孔。该体模的长 × 宽 × 深为 115 mm × 38 mm × 24 mm，初始质量为 101.02 g。该体模的尺寸适合放入临床前成像设备中。

通过超声（US）、计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）获取的图像如图6所示。测试物体与背景之间的对比度足以区分测试物体并测量其尺寸。除超声图像中存在轻微的混响伪影外，其他图像中均未观察到严重伪影。

讨论

本文旨在提供用于多模态成像的组织模拟材料（TM材料）制备方法，并构建一种临床前多模态模体，作为在多个机构中利用不同成像方式准确测量肿瘤大小的质量保证（QA）工具。如前所述，TM材料最初由威斯康星大学麦迪逊分校的Ernest L. Madsen博士实验室开发，用于多模态前列腺模体。我们针对自身需求对Madsen博士的TM材料方案进行了改进，以在测试物体与背景之间获得足够的对比度，并在超声（US）、计算机断层扫描（CT）和磁共振（MR）图像中准确反映软组织的物理特性。我们采用自有的TM材料方案构建模体的方法首次由Lee 等简要介绍^{7, 8}。本文将详细阐述TM材料及模体构建的完整操作流程。

在制备TM材料之前，我们在实验室中定制了硅胶模具和旋转仪。由于硅胶模具在干燥过程中可能发生收缩，因此选择合适的硅胶化合物对模具制备至关重要。模具硬化后，我们使用可追溯至美国国家标准与技术研究院（NIST）的卡尺测量每个模具中物体的直径，以确保收缩程度最小。旋转仪的使用是为了防止背景材料中的玻璃珠发生重力沉降。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
试剂/材料
聚氯乙烯管	N/A	N/A	Home Depot
螺栓、螺母、垫圈和金属板	N/A	N/A	Home Depot
丙烯酸板和棒材	N/A	N/A	德克萨斯州圣安东尼奥市塑料供应商
钢球	Nordex, Inc.	AEC-M2-2, -4, -7, -10 和 -14	直径分别为 2、4、7、10 和 14 mm
C型夹	可调夹具	1420-C	2 英寸长度
美纹纸胶带	3M 工业胶粘剂与胶带公司	2600
管道胶带	3M 工业胶粘剂与胶带公司	S-3763SIL
J-B KWIK	J-B WELD 公司	380238
3M Scotch-Weld 环氧胶粘剂	3M 工业胶粘剂与胶带公司	DP-100
硅脂	Permatex, Inc.	22058
硅胶	DAP, Inc.	688
硅橡胶化合物	Smooth-ON, Inc.	Smooth-SilTM950 A组分和B组分	A:B 混合比例 = 按重量计 10:1
刷子	N/A	N/A	Hobby Lobby
注射器	Becton Dickinson	309604	10 ml
针头	Becton Dickinson	305156	22号，1.5英寸长度
漏斗	N/A	N/A
网状滤器	Small parts, Inc.	CMN-0010-C 和 CMN-0020-C	10 和 20 μm
全脂牛奶	N/A	N/A	德克萨斯州圣安东尼奥市 HEB 超市
硫柳汞	Sigma-Aldrich Co.	T5125
丙醇	Sigma-Aldrich Co.	33538
EDTA	Sigma-Aldrich Co.	431788
CuCl2	Sigma-Aldrich Co.	459097
琼脂糖	Sigma-Aldrich Co.	A0169
BaSO4	Sigma-Aldrich Co.	B8675
玻璃珠	Potters Industries, Inc.	3000E
PET/AL/LLDPE*	Pechiney Plastic Packaging, Inc.	Pechiney Spec 151	幻影模型覆盖材料
			*聚对苯二甲酸乙二醇酯/铝/线性低密度聚乙烯
设备
旋转烤肉电机	Brinkmann	812-7103-S	Home Depot
水浴槽 1	Precision, Inc.	型号：282，序列号：601091552
水浴槽 2	VWR, Inc.	型号：1212，序列号：08119606
超声成像仪	Visualsonics	序列号：770/120-259
CT	Gamma Medica-Ideas	序列号：GR 0050
MRI	Bruker	部件号：W3301390，序列号：0030