过去,小动物照射通常无法对边界清晰的肿瘤体积进行靶向。本研究旨在模拟人类胶质母细胞瘤的大鼠治疗。利用小动物照射平台,我们在临床前条件下实施了基于磁共振成像引导的三维适形照射,并结合正电子发射断层扫描确定的亚体积进行加量照射。
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过去,小动物照射通常无法对边界清晰的肿瘤体积进行靶向。本研究旨在模拟人类胶质母细胞瘤的大鼠治疗。利用小动物照射平台,我们在临床前条件下实施了基于磁共振成像引导的三维适形照射,并结合正电子发射断层扫描确定的亚体积进行加量照射。
几十年来,小型动物辐射研究主要依赖相当粗糙的实验装置,采用简单的单束照射技术,无法对特定或边界清晰的肿瘤体积进行精准靶向。辐射的递送通常使用固定的辐射源或产生兆伏(MV)X射线的直线加速器完成。这些设备无法达到小型动物所需的亚毫米级精度。此外,对周围健康组织施加的高剂量辐射也阻碍了治疗反应的准确评估。为了提高小型动物研究向人类临床应用的转化能力,我们的目标是在大鼠模型中模拟人类胶质母细胞瘤的治疗过程。为了在临床前环境中实现更精确的照射,近年来开发出了高精度图像引导的小型动物辐射研究平台。与人类放疗计划系统类似,这些微辐照装置的治疗计划基于计算机断层扫描(CT)。然而,CT的软组织对比度较低,使得在脑等特定组织中精确定位靶区极为困难。因此,结合磁共振成像(MRI)——其软组织对比度显著优于CT——将有助于更精确地勾画照射靶区。在过去十年中,正电子发射断层扫描(PET)等生物学成像技术也逐渐受到关注,被用于辐射治疗的引导。PET能够实现 例如葡萄糖消耗、氨基酸转运或肿瘤内的缺氧区域。针对这些高增殖性或放射抗性较强的肿瘤区域给予更高剂量,可能带来生存获益。这一假设促使研究者在传统的肉眼可见肿瘤体积(GTV)、临床靶区(CTV)和计划靶区(PTV)之外,提出了生物肿瘤体积(BTV)的概念。
在根特大学的临床前成像实验室,配备有微照射仪、小动物正电子发射断层扫描仪(PET)以及7 T小动物磁共振成像仪(MRI)。研究目标是在胶质母细胞瘤大鼠模型中实现MRI引导的照射以及PET引导的亚体积增量照射。
高级别胶质瘤是成人中最常见且最具侵袭性的恶性脑肿瘤,尽管现有治疗手段,其中位生存期仍仅为1年。标准治疗方案包括最大程度的手术切除,随后进行联合外照射放疗(RT)和替莫唑胺(TMZ)治疗,之后继续使用TMZ维持治疗1,2,3。自15年多前引入替莫唑胺以来,此类肿瘤的治疗尚未取得显著进展。因此,迫切需要实施新的治疗策略,但应首先在小型动物癌症治疗模型(主要是小鼠和大鼠)中进行研究。携带肿瘤的啮齿类动物模型可用于评估新型复杂放疗方案的有效性,这些方案可能与其他(新型)治疗药物联合使用,以评估放疗反应或研究放射防护剂。临床前放射研究的一个主要优势是能够在受控实验条件下使用大样本量进行研究,由于啮齿类动物寿命较短,可加速数据产出。随后,应将临床前研究结果比当前实践更快速、更高效地转化为临床试验4。
近几十年来,小型动物辐射实验通常采用固定辐射源来完成5,6,7, 例如, 137铯和 60钴-60、同位素或用于人体临床的直线加速器,采用单个MV级X射线辐射野6,8,9,10,11然而,这些设备无法达到亚毫米级精度,而亚毫米级精度是小型动物研究所必需的12此外,MV级X射线具有不适合照射小体积靶区的特性,例如在射束入射区域的空气-组织界面处会出现剂量累积现象,其范围可达动物自身尺寸的数量级。4,6,8,9,10,11后者使得在保护周围正常脑组织的同时,向肿瘤输送均匀剂量变得相当困难4,8,9,10,11因此,目前尚不清楚现有的动物研究在多大程度上仍与现代放射治疗临床实践相关12在这方面,近期开发的三维(3D)适形小型动物微照射装置有望弥合先进的人体3D影像引导放疗技术(如调强放射治疗(IMRT)或适形弧形照射)与当前小型动物照射技术之间的技术差距。4,13这些平台采用千伏(kV)X射线源以获得清晰的半影区,并避免剂量累积。平台包括用于动物定位的计算机控制载物台、用于成像和放射治疗的kV X射线源、可旋转的机架组件以实现多角度放射照射,以及用于塑形放射束的准直系统。42011年,一台微辐照装置被安装在根特大学的临床前成像实验室图1该系统类似于现代人类放射治疗实践,可支持多种临床前实验,例如放射与其他疗法的协同作用、复杂的放射方案以及图像引导下的亚靶区增量研究。
这些微型辐照装置的治疗计划基于CT,这与人类使用的治疗计划系统相当14,15。对于CT成像,使用一个集成的X射线探测器,并结合治疗过程中所用的相同kV级X射线管。采用CT成像的原因在于其能够实现动物的精确定位,并通过图像分割提供个体化辐射剂量计算所需的信息。然而,由于CT成像中软组织对比度较低,难以清晰勾画小型动物(如高级别胶质瘤)脑部的肿瘤边界。因此,必须引入多模态成像以实现靶区体积的精确勾画。与CT相比,MRI在软组织对比度方面具有显著优势,这使得病灶边界的可视化更加容易,从而显著提高靶区体积的勾画精度,有助于更准确地照射病灶并保护周围正常组织,如 图24,16所示。另一个优势是,MRI使用非电离辐射,而CT则依赖电离辐射。MRI的主要缺点是成像时间相对较长且运行成本较高。需要特别指出的是,MRI扫描不能直接用于剂量计算,因其无法提供所需的电子密度信息,尽管该领域也在不断进步,例如近年来MR-LINAC系统的开发。因此,联合使用CT/MRI数据集是规划恶性胶质瘤辐照治疗的首选方法,它同时包含了靶区定位所需的信息(基于MRI的体积)和剂量计算所需的信息(基于CT的电子密度)。
为了缩小小动物照射与临床常规之间的差距,显然需要将磁共振成像(MRI)整合到微照射装置的工作流程中,这就要求MRI与CT之间实现精确配准,而这一过程远非易事。本文讨论了我们近期发表的大鼠F98胶质母细胞瘤MRI引导下三维适形照射实验方案17。
尽管将CT和MRI整合到微照射装置的工作流程中是小动物照射研究的明显进步,但这些解剖成像技术并不总能准确定义靶区范围。脑部在CT和MRI上的病理改变通常表现为水分含量增加(水肿)以及血脑屏障破坏或出现对比增强。然而,对比增强区域和T2加权MRI上的高信号区域并不总能准确反映肿瘤的实际范围。已有研究发现,肿瘤细胞可存在于对比增强区域以外较远的位置。12此外,这些技术均无法识别肿瘤内最具侵袭性的区域,而这些区域可能是导致治疗耐药和肿瘤复发的原因。因此,来自PET等分子影像技术的额外信息可能对放射治疗靶区的界定具有附加价值,因为这些技术能够实现对生物学通路的可视化 体内12,18,19.
2000年,Ling 等 通过将解剖学与功能成像整合到放射治疗工作流程中,提出了生物靶区体积(BTV)的概念,由此提出了所谓的多维适形放射治疗20。这种方法使得利用例如PET图像对靶区施加非均匀剂量成为可能,从而提高剂量投放的精准性。目前肿瘤分期及治疗反应监测中最常用的PET示踪剂是氟-18(18F)标记的氟脱氧葡萄糖(FDG),其可显示葡萄糖代谢情况21。在头颈部肿瘤中,既往研究表明,与CT和MRI相比,使用18F-FDG PET能更准确地估算由病理标本定义的实际肿瘤体积22。在原发性脑肿瘤中,由于正常脑组织背景信号很强,FDG的应用受到限制;因此,研究人员已探索使用氨基酸类示踪剂,如11C-蛋氨酸以及近期的18F-氟乙基酪氨酸(FET),用于GTV的勾画,且常发现氨基酸PET与基于MRI的GTV之间存在显著差异23。然而,目前尚未开展前瞻性试验来探讨这一发现的临床意义。在本研究中,我们选择了氨基酸示踪剂18F-FET和缺氧示踪剂18F-氟唑喃阿糖苷(18F-FAZA)。选择18F-FET和18F-FAZA的原因在于,氨基酸摄取增加与GB肿瘤的增殖率密切相关,而缺氧PET示踪剂的摄取则与(化学)放射治疗的抵抗性相关18,23。我们利用微型辐照仪对大鼠F98 GB肿瘤中由PET定义的亚体积进行剂量增强,并优化了该照射方案。
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本研究经动物实验伦理委员会批准(ECD 09/23 和 ECD 12/28)。所有商用试剂的详细信息见材料表。
1. F98 胶质母细胞瘤大鼠细胞模型
2. 肿瘤生长的确认
注意:接种后第8天,采用T2加权磁共振成像(MRI)、动态对比增强磁共振成像(DCE-MRI)和对比增强T1加权磁共振成像评估肿瘤生长情况。当肿瘤大小达到2.5 × 2.5 × 2.5 mm3时,选择该大鼠进行治疗。
3. 用于靶区选择的多模态成像
注意:为了能够对F98胶质母细胞瘤大鼠模型进行磁共振成像引导的三维适形放疗,并结合正电子发射断层成像引导的亚体积推量照射,需要进行三种成像模态的扫描。首先注射放射性示踪剂,然后在示踪剂摄取期间进行磁共振成像,随后进行静态正电子发射断层成像扫描以及治疗计划用CT扫描。
4. 放射治疗计划
5. 剂量体积直方图(DVHs)
注意:为了比较实际递送至肿瘤靶区体积及周围正常脑组织的剂量,需计算剂量体积直方图(DVHs)。
6. TMZ 与假化疗
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为了在临床前模型中模拟人类胶质母细胞瘤的放射治疗方案,必须采用磁共振成像(MRI)引导的放射治疗。利用PCTPS系统及微型辐照器接口,我们能够对大鼠F98胶质母细胞瘤实施多弧非共面适形照射,靶区为T1加权MRI图像上对比增强的区域17。通过刚体变换结合多模态床板,实现MRI与计划CT之间的图像配准。照射等中心点选择在T1加权MRI图像上对比增强肿瘤区域的中心(图7)。
针对五只不同的动物,计算了靶区和正常脑组织体积的平均剂量、最小剂量及最大剂量的剂量分布和累积剂量-体积直方图(DVH)(图12)。根据与临床照射方案的相似性以及最优的剂量分布,选择了一种采用三条非共面弧形照射的剂量计划。采用该方案时,90%的靶区体积接受了预期剂量,同时尽可能降低了对正常脑组织的照射剂量
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为了在大鼠脑内对胶质母细胞瘤靶区实现精确照射,仅依靠微型照射器自带的CT引导是不够的。即使使用对比增强,由于软组织对比度不足,脑肿瘤仍难以清晰显示。因此,必须结合MRI以实现更精准的照射。通过在7 T系统上进行连续的MR扫描,并在微型照射器上进行CT扫描,我们能够将照射剂量靶向至脑内对比增强的肿瘤组织,并利用规划用CT计算剂量分布方案。在完成图像融合及使用PCTPS17进行剂量计算后,该方法是可行的。然而,需要注意的是,MRI容易产生几何畸变,而本方案中未对这些畸变进行校正。此外,在将该照射方案推广至身体其他部位之前,还需开展进一步研究。由于使用了较低kV能量的光子,必须重视精确的组织分割。在大鼠脑部,将组织划分为三类可能已足够,但在大鼠的胸腹部区域,则需要划分更多的组织类别,以实现准确的剂量计算。为避免在不同成像系统间转移过程中产生移动,我们采用了多模态床设计,以最大限度减少头部移动(图1)。然而,当将该方案应用于胸腹部等其他身体部位时,仍需额外努力。特别是受呼吸运动或肠道蠕动影响的器官,其小动物照射仍具有挑战性。
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作者无任何利益冲突需披露
作者谨此感谢 Stichting Luka Hemelaere 和国际崇德社对本工作的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| GB大鼠模型 | |||
| F98胶质母细胞瘤细胞系 | ATCC | CRL-2397 | |
| Fischer F344/Ico crl大鼠 | Charles River | N/A | http://www.criver.com/products-services/basic-research/find-a-model/fischer-344-rat |
| 微泵系统 | World Precision Instruments | UMP3 | Micro 4: https://www.wpiinc.com/products/top-products/make-selection-ump3-ultramicropump/#tabs-1 |
| 立体定位仪 | Kopf | 902 | Model 902双动物立体定位仪 |
| 金刚石钻头 | Velleman | VTHD02 | https://www.velleman.eu/products/view/?id=370450 |
| 骨蜡 | Aesculap | 1029754 | https://www.aesculapusa.com/products/wound-closure/hemostatic-bone-wax |
| 胰岛素注射器Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL,29G |
| InfraPhil红外灯 | Philips | HP3616/01 | |
| Ethilon | Ethicon | 662G/662H | FS-2,4-0,3/8,19 mm |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 细胞培养 | |||
| DMEM | Invitrogen | 14040-091 | |
| 青霉素-链霉素 | Invitrogen | 15140-148 | |
| L-谷氨酰胺 | Invitrogen | 25030-032 | |
| 两性霉素B(Fungizone) | Invitrogen | 15290-018 | |
| 胰蛋白酶-EDTA | Invitrogen | 25300-062 | |
| PBS | Invitrogen | 14040-224 | |
| Falcons | Thermo Scientific | 178883 | 175 cm2 Nunclon表面,带滤盖的一次性细胞培养容器 |
| 细胞冻存液 | Sigma-aldrich | C6164 | 细胞冻存液-DMSO,无菌过滤,适用于细胞培养,内毒素检测合格 |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 动物照射 | |||
| 微型照射器 | X-strahl | SARRP | |
| 照射用软件 | X-strahl | MuriPlan | 临床前治疗计划系统(PCTPS),版本2.0.5 |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 小动物PET | |||
| microPET系统选项1 | Molecubes | B-Cube | http://www.molecubes.com/b-cube/ |
| microPET系统选项2 | TriFoil Imaging, Northridge CA | FLEX Triumph II | http://www.trifoilimaging.com |
| PET示踪剂 | 实验室自制 | 18F-FDG、18F-FET、18F-FAZA、18F-胆碱 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 小动物MRI | |||
| microMRI系统 | Bruker Biospin | Pharmascan 70/16 | https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan/overview.html |
| Dotarem对比剂 | Guerbet | MRI对比剂,Dotarem 0.5 mmol/ml | |
| 大鼠全身发射线圈 | Rapid Biomedical | V-HLS-070 | |
| 大鼠脑表面线圈 | Rapid Biomedical | P-H02LE-070 | |
| 水基加热装置 | Bruker Biospin | MT0125 | |
| 静脉注射用30G针头 | Beckton-Dickinson | 305128 | 30G |
| PE 10导管(60 cm/注射) | Instech laboratories, Inc | BTPE-10 | BTPE-10,聚乙烯导管 0.011 × 0.024 英寸(0.28 × 60 mm),非无菌,30 m(98 英尺)卷装,Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA - (800) 443-4227 - http://www.instechlabs.com |
| 非肝素化微量血细胞比容毛细管 | GMBH | 7493 21 | 这些毛细管用水填充,以在MRI和CT上产生可见标记 |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 耗材 | |||
| 异氟烷:Isoflo | Zoetis | B506 | 麻醉 |
| 氯胺酮:Ketamidor | Ecuphar | 麻醉 | |
| 赛拉嗪:Sedaxyl | Codifar NV | 麻醉 | |
| 导管 | Terumo | Versatus-W | 26G |
| 替莫唑胺 | Sigma-aldrich | T2577-100MG | 化疗 |
| DMSO | Sigma-aldrich | 276855-100ML | |
| 胰岛素注射器Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL,29G |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 图像分析 | |||
| PMOD软件 | PMOD technologies LLC | PFUS(融合工具) | 生物医学图像定量软件(BIQS),版本3.405,https://www.pmod.com/web/?portfolio=22-image-processing-pfus |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 麻醉设备 | |||
| 可移动麻醉装置 | ASA LTD | ASA 0039 | ASA LTD, 5 valley road, Keighley, BD21 4LZ |
| 氧气发生器 | Veterinary technics Int. | 7F-3 | BDO-Medipass, Ijmuiden |
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