本文介绍了一种在大鼠胶质母细胞瘤模型中进行基于正电子发射断层扫描的临床前放射治疗的方案，该方案采用自主研发的算法以优化准确性和效率。
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本文内容
摘要
摘要
先前已建立一种模拟临床胶质母细胞瘤化疗-放疗治疗的大鼠胶质母细胞瘤模型。与临床治疗类似，在治疗计划过程中结合使用了计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）。随后引入正电子发射断层扫描（PET）成像，以利用微照射系统实现亚体积剂量增强。然而，在微照射系统中整合三种成像模式（CT、MRI 和 PET）被证明工作量较大，因为在临床前环境中，多模态成像、治疗计划和剂量递送必须依次完成。这也导致工作流程更容易出现人为误差。因此，开发了一种用户友好的算法，以进一步优化基于临床前多模态成像的放射治疗计划。该软件工具通过计算机模拟（in silico）研究设计，用于评估微照射下剂量雕绘放射治疗的准确性和效率。这种新的剂量雕绘放射治疗方法在准确性、时间效率以及用户内和用户间变异方面均优于先前描述的方法。同时，这也是实现微照射器逆向治疗计划的重要一步，目前微照射器仍普遍采用正向计划，而临床系统则已广泛应用逆向计划。
引言
胶质母细胞瘤（GB）是一种恶性且高度侵袭性的原发性脑肿瘤。GB是一种实体异质性肿瘤，通常以浸润性边界、核异型性和坏死为特征1。由于血脑屏障的存在以及脑组织作为免疫特权部位的特性，寻找化疗和免疫治疗的新靶点成为一项艰巨的任务2,3,4。值得注意的是，自2005年引入Stupp方案以来，GB患者的治疗策略几乎未发生显著改变，该方案采用外照射放疗（RT）联合同步替莫唑胺治疗，通常随后辅以辅助性替莫唑胺5。通常情况下，Stupp方案之前会先进行最大程度的手术切除。因此，探索替代性治疗策略具有至关重要的意义。
目前针对胶质母细胞瘤患者的放射治疗，向明确定义的肿瘤体积内输送均匀的辐射剂量。在放射肿瘤学中，胶质母细胞瘤存在重要的剂量-效应相关性：随着剂量增加，疗效提升，但由于对正常脑组织毒性增加，剂量提升似乎在60 Gy左右达到上限6,7。然而，肿瘤可能在放射生物学上具有高度异质性，表现为氧浓度梯度和/或细胞密度的显著差异。代谢成像技术（如PET）能够可视化这些生物学特征，并可用于定制剂量处方。....
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方案
本研究经当地动物实验伦理委员会批准（ECD 18/21）。通过传感器采集动物的呼吸频率，以进行麻醉监测。
1. F98 GB 大鼠细胞模型
- 使用添加10%小牛血清、1%青霉素、1%链霉素和1%L-谷氨酰胺的杜氏改良伊格尔培养基（Dulbecco's Modified Eagle Medium），在单层培养F98胶质母细胞瘤细胞，并将其置于含5% CO2、37 °C的CO2培养箱中。
- 将胶质瘤细胞接种至雌性Fischer F344大鼠（体重170 g）脑内。
注意：操作过程中始终使用无菌器械并佩戴无菌手套。- 通过鼻罩吸入异氟烷（5%诱导，2%维持）与氧气（0.3 mL/min）的混合气体对大鼠进行麻醉。通过肢体回缩反射消失确认麻醉成功，并使用鼻部和耳部固定点将大鼠固定于立体定位仪中。使用羧甲基纤维素眼用凝胶防止麻醉期间角膜干燥。通过温控加热垫和直肠探头将动物体温维持在37 °C。
- 从眼部水平至颅骨后部剃除大鼠毛发，并用碘伏消毒皮肤。皮下注射含肾上腺素（1:200000）的利多卡因（0.1 mL）以实现局部麻醉。
- 行正中头皮切口暴露颅骨，并在右侧半球前囟后方3 mm、外侧3 mm处用钻头打一小孔。
- 插入立体定位引导的胰岛素注射针（29 G），并通过微量注射泵控制器将5 µL细胞悬液（含20,00....
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结果
既往研究已描述过在胶质母细胞瘤大鼠模型中，使用SARRP系统通过PET与MRI引导照射以模拟人类治疗策略的可行性20,21,22。当动物被固定在自制的多模态床时，可结合PET、MRI和CT三种成像模态制定出可接受的放射治疗计划。在这些方法中，使用了一款外部软件包（见材料表），通过手动刚体变换对图像进行共配准。通过目视评估增强T1加权MRI图像与PET图像，并手动选择等中心点。然而，该方法被证明劳动强度较大，且对动物具有明显影响，因为动物需在整个多模态成像及治疗计划制定过程中持续处于全身麻醉状态。因此，新方法旨在实现该流程中特定步骤的自动化，以减少制定放射治疗计划所需的总体变异性和时间。
本文比较了两种方法。方法1与先前发表的方法20,21.......
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讨论
既往已描述一种模拟临床胶质母细胞瘤患者化疗-放疗方案的大鼠GB模型20。与临床方法类似，在治疗计划过程中结合使用CT和MRI，以实现更精确的照射。当动物在不同成像系统之间转移时，采用多模态固定床以最大限度减少（头部）移动。随后，PET成像被引入治疗计划过程，并成功实现了基于PET的亚体积剂量增强21,22。在治疗计划过程中引入PET等功能性影像模态，可实现对（生物学）肿瘤异质性的可视化，从而有助于靶向侵袭性强和/或放疗抵抗的肿瘤区域。尽管该方法可行，但在临床前环境中，由于多模态成像、治疗计划和剂量递送必须依次完成，因此被证明工作量极大。此外，在此过程中动物需持续处于全身麻醉状态22。因此，提高临床前治疗计划流程的效率至关重要。
本文介绍了一种用户友好的半自动算法，用于进一步优化基于临床前多模态成像的放射治疗计划。该算法实现了计划CT、MRI和PET之间的自动配准，并结合了.......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
作者感谢 Lux Luka 基金会对本工作的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 细胞培养 | |||
| F98 胶质母细胞瘤细胞系 | ATCC | CRL-2397 | https://www.lgcstandards-atcc.org/products/all/CRL-2397 |
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基（Dulbecco's Modified Eagle Medium） | 赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific） | 22320-030 | |
| 细胞培养瓶 | 赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific） | 178883 | 75 cm² |
| 胎牛血清（FBS） | 赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific） | 10270106 | |
| L-谷氨酰胺（L-Glutamine） | 赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific） | 25030-032 | 200 mM |
| 青霉素-链霉素（Penicilline-Streptomycin） | 赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific） | 15140-148 | 10,000 U/mL |
| 磷酸盐缓冲液（PBS） | 赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific） | 14040-224 | |
| 胰蛋白酶-EDTA（Trypsin-EDTA） | 赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific） | 25300-062 | 0.05% |
| 胶质瘤大鼠模型（GB Rat Model） | |||
| 球形钻头 | Foredom | A-228 | 1.8 mm |
| 骨蜡 | Aesculap | 1029754 | https://www.aesculapusa.com/en/healthcare-professionals/or-solutions/or-solutions-cranial-closure/hemostatic-bone-wax.html |
| Ethilon缝合线 | Ethicon | 662G/662H | FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm |
| Fischer F344/Ico crl 大鼠 | 查尔斯河（Charles River） | - | |
| 胰岛素注射器 Microfine | 贝克顿-迪金森（Beckton-Dickinson） | 320924 | 1 mL, 29 G |
| 红外灯（IR Lamp） | 飞利浦（Philips） | HP3616/01 | |
| 美洛昔康（Metacam） | 勃林格殷格翰（Boehringer Ingelheim） | - | 2 mg/mL |
| 微型电机旋转工具 | Foredom | K.1090-22 | |
| 微量泵系统 | Stoelting 公司（Stoelting Co.） | 53312 | Stoelting 立体定位注射器 |
| 立体定位仪 | Stoelting 公司（Stoelting Co.） | 51600 | |
| 利多卡因（1%，含肾上腺素 1:200,000） | Aspen | - | 1%，含肾上腺素 1:200,000 |
| 利多卡因凝胶（2%） | Aspen | - | 2% |
| 动物照射 | |||
| 微型照射器 | X-Strahl | SARRP | 版本 4.2.0 |
| 软件 | X-Strahl | Muriplan | 临床前治疗计划系统（PCTPC），版本 2.2.2 |
| 小动物正电子发射断层扫描（PET） | |||
| [18F]FET | 自制 | - | PET 示踪剂；与 Prohance 联用：MRI/PET 造影剂 |
| 微型PET | Molecubes | Beta-Cube | https://www.molecubes.com/b-cube/ |
| 小动物磁共振成像（MRI） | |||
| 微型MRI | 布鲁克生物自旋（Bruker Biospin） | Pharmascan 70/16 | https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan.html |
| 用于静脉注射的30 G针头 | 贝克顿-迪金森（Beckton-Dickinson） | 305128 | |
| PE 10 导管 | Instech Laboratories Inc | BTPE-10 | BTPE-10，聚乙烯导管 0.011 x 0.024 英寸（0.28 x 60 mm），非无菌，30 米（98 英尺）卷装，Instech Laboratories, Inc Plymouth Meeting PA USA - (800) 443-4227 - http://www.instechlabs.com |
| Prohance 对比剂 | Bracco Imaging | - | 279.3 mg/mL，钆对比剂（与 [18F]FET 联用：MRI/PET 造影剂） |
| 大鼠脑部 Tx/Rx - 小鼠全身容积线圈 | 布鲁克生物自旋（Bruker Biospin） | - | 40 mm 直径 |
| 水循环加热装置 | 布鲁克生物自旋（Bruker Biospin） | MT0125 | |
| 耗材 | |||
| 异氟烷（Isoflurane） | 硕腾（Zoetis） | B506 | 麻醉剂 |
| 胰岛素注射器 Microfine | 贝克顿-迪金森（Beckton-Dickinson） | 320924 | 1 mL, 29 G |
| 图像分析 | |||
| MATLAB | Mathworks | - | 版本 R2019b |
| PMOD | PMOD technologies LLC | 临床前与分子影像分析软件 |
参考文献
- Louis, D. N., et al. The 2016 World Health Organization classification of tumors of the central nervous system: a summary. Acta Neuropathologica. 131 (6), 803-820 (2016).
- Wadajkar, A. S., et al.
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