Name: PET 与 MRI 引导下微器对大鼠胶质瘤模型的照射 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-12-28T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 48 s
Description: 了解PET与MRI引导下微器对大鼠胶质瘤模型进行精准照射的方法。该技术利用三维适形放疗结合PET亚体积增强，可提高肿瘤靶向精度并改善治疗效果，为临床前放射治疗研究提供新思路。

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作者谨此感谢 Stichting Luka Hemelaere 和国际崇德社对本工作的支持。

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
<ol>
	<li>使用 Dulbecco 改良 Eagle 培养基（含 10% 小牛血清、1% 青霉素、1% 链霉素、1% L-谷氨酰胺和 0.1% 两性霉素 B），将购自 ATCC 的 F98 GB 细胞以单层培养方式培养，并置于 CO2 培养箱（5% CO2、37 °C）中。</li>
	<li>将胶质瘤细胞接种至雌性 Fischer F344 大鼠（体重 170 g）脑内。
	<ol>
		<li>操作过程中始终使用无菌器械并佩戴无菌手套。</li>
		<li>使用胰岛素注射器（1 mL，29 G）经腹腔注射 74 mg/kg 氯胺酮和 11 mg/kg 赛拉嗪混合物进行麻醉。通过肢体回缩反射消失确认麻醉成功。使用鼻部和耳部固定点将大鼠固定于立体定位仪中。麻醉期间使用羧甲基纤维素眼用凝胶防止角膜干燥。</li>
		<li>剃除大鼠从眼部水平至颅骨后部的毛发，并用聚维酮碘对皮肤进行消毒。</li>
		<li>通过一条 2 cm 的正中头皮切口暴露颅骨，在右侧额叶半球，于前囟后方 2 mm、外侧 2.5 mm 处用金刚石钻头钻出一个直径 1 mm 的孔。</li>
		<li>插入立体定向引导的胰岛素针头（29 G），使用微量注射泵控制器（设定参数：注射 I50，流速 1 nL/s（001 SDN））将 5 µL 细胞悬液（含 20,000 个 F98 GB 细胞）注入深度 3 mm 处。</li>
		<li>缓慢拔出注射针，用骨蜡封闭颅骨孔，缝合皮肤切口，并以聚维酮碘消毒。</li>
		<li>术后使用红外灯维持动物体温。密切监测大鼠苏醒过程，直至其恢复足够的意识以维持胸卧位。在完全恢复前不得将其与其他动物合笼。所有动物均应饲养于环境受控条件下（12 小时明暗循环、20–24 °C、相对湿度 40–70%），自由摄取食物和水 ad libitum。需密切观察动物，监测其体重、食物与饮水摄入量以及活动情况和正常行为。若观察到体重下降超过 20%，或正常行为显著恶化（例如，缺乏理毛行为），应使用戊巴比妥钠致死剂量（160 mg/kg）实施安乐死。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>首先，将一个30 G针头连接到一根60 cm长的导管上，该导管已插入大鼠的侧尾静脉。通过鼻罩以2%异氟烷与氧气（0.3 L/min）混合气体对大鼠进行麻醉。当大鼠对肢体回缩反射无反应时，确认麻醉成功。用加热毯覆盖大鼠，并将其置于MRI检查床上。使用羧甲基纤维素眼用凝胶防止角膜干燥。</li>
	<li>将检查床放入带有固定大鼠脑表面线圈的支架中，并将床置于72 mm大鼠全身发射线圈内。</li>
	<li>进行定位扫描，随后进行T2加权自旋回波扫描以评估肿瘤生长情况。T2-MRI序列参数：TR/TE 3661/37.1 ms，面内各向同性分辨率为109 µm，层厚600 µm，信号平均次数4次，扫描时间9 min 45 s。</li>
	<li>若在T2加权成像中确认存在肿瘤，则在DCE-MRI扫描开始后30秒，通过已置入的静脉导管注射含钆对比剂（MRI对比剂；0.4 mL/kg）。使用快速小角度激发（FLASH）序列在单层（层厚1 mm）上持续12分钟采集DCE-MRI图像。面内空间分辨率为（312 µm2），时间分辨率为1.34 s。</li>
	<li>利用图像序列分析工具，在可疑肿瘤区域选择感兴趣区（ROI），绘制信号强度随时间变化的曲线。随后分析所得DCE曲线的形态，以确认胶质母细胞瘤的存在（图3）。</li>
	<li>最后，采集对比增强T1加权自旋回波序列图像。T1-MRI序列参数：TR/TE 1539/9.7 ms，面内各向同性分辨率为117 µm，层厚600 µm，信号平均次数3次，扫描时间4 min 15 s。典型的对比增强T1加权MR图像见图2。</li>
	<li>完成T1加权序列扫描后，动物可在持续监护下苏醒，直至完全恢复意识。</li>
</ol>
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。
<ol>
	<li>使用含2%异氟烷与氧气（0.3 L/min）的鼻罩麻醉动物。当大鼠对肢体回缩反射无反应时，确认麻醉成功。麻醉期间使用羧甲基纤维素眼用凝胶防止角膜干燥。</li>
	<li>将导管（26 G）插入尾静脉，注入溶于200 µL生理盐水中的37 MBq PET放射性示踪剂。18F-FET或18F-FAZA分别在PET扫描前30分钟或2小时注射。</li>
	<li>在PET扫描前15分钟，通过尾静脉导管静脉注射MRI对比剂（0.4 mL/kg）。</li>
	<li>将大鼠置于自制的多模态成像床，并使用钩环固定装置固定，确保在成像和微照射过程中保持位置不变（图1）。</li>
	<li>在颅骨下方、上方及右侧固定三个多模态标记物（内含水的毛细管）。将仍固定于多模态成像床的大鼠放入MRI扫描仪的动物固定装置中，安装大鼠脑部表面线圈，并将该装置置于72 mm大鼠全身发射线圈内。先进行定位扫描，随后进行增强T1加权自旋回波序列扫描。</li>
	<li>将动物转移至进行18F-FET或18F-FAZA PET扫描。以列表模式采集30分钟静态PET扫描数据。扫描应在注射18F-FET后30分钟或注射18F-FAZA后2小时进行。使用二维最大似然期望最大化（MLEM）算法，经60次迭代，将所有PET扫描重建为200 × 200 × 64矩阵，体素尺寸为0.5 × 0.5 × 1.157 mm。</li>
	<li>将仍固定于多模态成像床的动物放置在固定于微照射装置四轴机器人定位台的塑料支架上。使用1 mm铝滤片和20 × 20 cm（1,024 × 1,024像素）非晶硅平板探测器进行高分辨率治疗计划CT扫描。将CT图像重建为各向同性体素尺寸0.2 mm。管电压和管电流分别固定为70 kV和0.4 mA。在360°范围内共采集360个投影图像。</li>
</ol>
4. 放射治疗计划
<ol>
	<li>使用临床前治疗计划系统（PCTPS）进行治疗计划。将计划用CT导入PCTPS，并手动将该CT图像分割为三种不同的组织类型：骨组织、软组织和空气。此手动分割基于在计划用CT上定义三个不同的灰度值阈值。所选择的灰度值阈值应确保脑内无空气，且颅骨的骨厚度非零。一旦确定这些阈值，PCTPS将分别为骨组织、软组织和空气分配材料密度图4).</li>
	<li>如果仅需 MRI 引导，则加载 MRI 扫描图像，并使用 PCTPS 与计划 CT 进行配准。
	<ol>
		<li>利用刚体变换（三个平移和三个旋转）、多模态标记物和颅骨，通过将CT图像中颅骨的高信号强度与MRI中的黑色信号重叠，可实现精确的图像融合。图5).</li>
		<li>在T1加权MRI上选择对比增强肿瘤中心处的靶区进行照射，参见 图6 和 图7.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>当需要包含额外的PET信息时，应使用生物医学图像量化软件（BIQS）进行CT/MRI/PET图像的共配准。
	<ol>
		<li>使用 BIQS 中的轮廓工具实现 PET/MRI 图像融合图8）。共配准后，在BIQS中选择位于PET示踪剂摄取增加区域中心的目标图9）并在PCTPS中手动输入坐标，使用以下转换关系：X → -X，Y → Z，Z → -Y。</li>
		<li>选择规定的剂量、弧数、弧位置、弧的旋转范围以及准直器大小（图10).</li>
		<li>对于 MRI 引导的放射治疗，使用以下设置：处方剂量为 20 Gy，3 个弧形照射野分别位于床角 -45 °、0 ° 和 45 °，弧形旋转角度为 120 °，准直器尺寸为 5 x 5 mm。</li>
		<li>对于 PET-MRI 引导的放射治疗，采用以下设置：使用 3 个弧形照射野和 5 × 5 mm 准直器，处方剂量为 20 Gy；对亚体积进行推量照射时，额外给予 5 Gy，采用 3 个非共面弧形照射野和 1 × 1 mm 准直器。所有弧形照射野的机架旋转角度均设为 120°，同时改变治疗床位置（-45°、0° 和 45°）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用PCTPS计算动物体内的剂量分布和射束输送参数，以将处方剂量准确送达靶区。在实际照射前，需在不同床位测试弧形旋转，以防止照射过程中发生任何碰撞。</li>
	<li>实际照射时，选择0.15 mm铜滤片，将X射线电压设为220 kV，X射线电流设为13 mA，并将右侧准直器置于机架上。通过将适当的束流输送参数从PCTPS传输至微照射仪，执行放射治疗。</li>
	<li>在这些操作过程中，大鼠持续接受异氟烷麻醉（2% 异氟烷，与 0.3 L/min 氧气混合）。完成最后一个弧形操作后，动物可在持续监护下苏醒，直至完全恢复意识。</li>
</ol>
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）。
<ol>
	<li>在 T1 加权增强 MRI 图像上围绕肿瘤和正常脑组织绘制感兴趣体积（VOI），以计算平均剂量、最大剂量和最小剂量（图 11）。</li>
	<li>以 D2、D50 和 D90 作为肿瘤体积和正常脑组织体积所受最大、平均和最小剂量的替代指标。D 表示体积中 x% 所接受的剂量，下标表示百分比，可从生成的剂量体积直方图（DVH）中获得。</li>
</ol>
6. TMZ 与假化疗
<ol>
	<li>为了模拟患者胶质母细胞瘤的治疗，从放疗当天开始，连续5天每天一次通过腹腔注射给予溶于含25%二甲基亚砜（DMSO）生理盐水中的29 mg/kg替莫唑胺（TMZ）进行联合化疗24,25。使用1 mL、29 G胰岛素注射器进行注射。</li>
	<li>对于对照组，执行第6.1步的注射操作，但不加入TMZ。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需披露

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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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。

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;GB大鼠模型&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>F98胶质母细胞瘤细胞系</td><td>ATCC</td><td>CRL-2397</td><td></td></tr><tr><td>Fischer F344/Ico crl大鼠</td><td>Charles River</td><td>N/A</td><td>http://www.criver.com/products-services/basic-research/find-a-model/fischer-344-rat</td></tr><tr><td>微泵系统</td><td>World Precision Instruments</td><td>UMP3</td><td>Micro 4: https://www.wpiinc.com/products/top-products/make-selection-ump3-ultramicropump/#tabs-1</td></tr><tr><td>立体定位仪</td><td>Kopf</td><td>902</td><td>Model 902双动物立体定位仪</td></tr><tr><td>金刚石钻头</td><td>Velleman</td><td>VTHD02</td><td>https://www.velleman.eu/products/view/?id=370450</td></tr><tr><td>骨蜡</td><td>Aesculap</td><td>1029754</td><td>https://www.aesculapusa.com/products/wound-closure/hemostatic-bone-wax</td></tr><tr><td>胰岛素注射器Microfine</td><td>Beckton-Dickinson</td><td>320924</td><td>1 mL，29G</td></tr><tr><td>InfraPhil红外灯</td><td>Philips</td><td>HP3616/01</td><td></td></tr><tr><td>Ethilon</td><td>Ethicon</td><td>662G/662H</td><td>FS-2，4-0，3/8，19 mm</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;备注&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;细胞培养&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>DMEM</td><td>Invitrogen</td><td>14040-091</td><td></td></tr><tr><td>青霉素-链霉素</td><td>Invitrogen</td><td>15140-148</td><td></td></tr><tr><td>L-谷氨酰胺</td><td>Invitrogen</td><td>25030-032</td><td></td></tr><tr><td>两性霉素B（Fungizone）</td><td>Invitrogen</td><td>15290-018</td><td></td></tr><tr><td>胰蛋白酶-EDTA</td><td>Invitrogen</td><td>25300-062</td><td></td></tr><tr><td>PBS</td><td>Invitrogen</td><td>14040-224</td><td></td></tr><tr><td>Falcons</td><td>Thermo Scientific</td><td>178883</td><td>175 cm&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt; Nunclon表面，带滤盖的一次性细胞培养容器</td></tr><tr><td>细胞冻存液</td><td>Sigma-aldrich</td><td>C6164</td><td>细胞冻存液-DMSO，无菌过滤，适用于细胞培养，内毒素检测合格</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;备注&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;动物照射&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>微型照射器</td><td>X-strahl</td><td>SARRP</td><td></td></tr><tr><td>照射用软件</td><td>X-strahl</td><td>MuriPlan</td><td>临床前治疗计划系统（PCTPS），版本2.0.5</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;备注&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;小动物PET&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>microPET系统选项1</td><td>Molecubes</td><td>B-Cube</td><td>http://www.molecubes.com/b-cube/</td></tr><tr><td>microPET系统选项2</td><td>TriFoil Imaging, Northridge CA</td><td>FLEX Triumph II</td><td>http://www.trifoilimaging.com</td></tr><tr><td>PET示踪剂</td><td>实验室自制</td><td></td><td>18F-FDG、18F-FET、18F-FAZA、18F-胆碱</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;备注&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;小动物MRI&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>microMRI系统</td><td>Bruker Biospin</td><td>Pharmascan 70/16</td><td>https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan/overview.html</td></tr><tr><td>Dotarem对比剂</td><td>Guerbet</td><td></td><td>MRI对比剂，Dotarem 0.5 mmol/ml</td></tr><tr><td>大鼠全身发射线圈</td><td>Rapid Biomedical</td><td>V-HLS-070</td><td></td></tr><tr><td>大鼠脑表面线圈</td><td>Rapid Biomedical</td><td>P-H02LE-070</td><td></td></tr><tr><td>水基加热装置</td><td>Bruker Biospin</td><td>MT0125</td><td></td></tr><tr><td>静脉注射用30G针头</td><td>Beckton-Dickinson</td><td>305128</td><td>30G</td></tr><tr><td>PE 10导管（60 cm/注射）</td><td>Instech laboratories, Inc</td><td>BTPE-10</td><td>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</td></tr><tr><td>非肝素化微量血细胞比容毛细管</td><td>GMBH</td><td>7493 21</td><td>这些毛细管用水填充，以在MRI和CT上产生可见标记</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;备注&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;耗材&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>异氟烷：Isoflo</td><td>Zoetis</td><td>B506</td><td>麻醉</td></tr><tr><td>氯胺酮：Ketamidor</td><td>Ecuphar</td><td></td><td>麻醉</td></tr><tr><td>赛拉嗪：Sedaxyl</td><td>Codifar NV</td><td></td><td>麻醉</td></tr><tr><td>导管</td><td>Terumo</td><td>Versatus-W</td><td>26G</td></tr><tr><td>替莫唑胺</td><td>Sigma-aldrich</td><td>T2577-100MG</td><td>化疗</td></tr><tr><td>DMSO</td><td>Sigma-aldrich</td><td>276855-100ML</td><td></td></tr><tr><td>胰岛素注射器Microfine</td><td>Beckton-Dickinson</td><td>320924</td><td>1 mL，29G</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;备注&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;图像分析&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>PMOD软件</td><td>PMOD technologies LLC</td><td>PFUS（融合工具）</td><td>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</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;名称&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;公司&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;目录编号&lt;/strong&gt;</td><td>&lt;strong&gt;备注&lt;/strong&gt;</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;麻醉设备&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>可移动麻醉装置</td><td>ASA LTD</td><td>ASA 0039</td><td>ASA LTD, 5 valley road, Keighley, BD21 4LZ</td></tr><tr><td>氧气发生器</td><td>Veterinary technics Int.</td><td>7F-3</td><td>BDO-Medipass, Ijmuiden</td></tr></tbody></table>

使用微型照射器对胶质母细胞瘤大鼠模型进行pet与mri引导下的照射

PET and MRI Guided Irradiation of a Glioblastoma Rat Model Using a Micro-irradiator

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。

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<sup class...

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。

使用微型照射器对胶质母细胞瘤大鼠模型进行PET与MRI引导下的照射

几十年来，小型动物辐射研究主要采用较为粗糙的实验装置，使用简单的单束技术，且缺乏……

本方法学的总体目标是在小型动物中实施图像引导的适形照射。该方法有助于回答放射学领域中的关键问题，即如何界定特定肿瘤体积以实现靶向放射治疗。该技术的主要优势在于，它能够模拟人类癌症治疗过程，并允许对大鼠体内的肿瘤细胞进行照射。利用正电子发射断层成像（PET）引导放射治疗束，能够将肿瘤生物学特性纳入考量，这是小动物放射治疗领域一项新颖且富有前景的发展方向。通过引入生物学靶区体积，可针对肿瘤中代谢最活跃且对辐射具有较强抵抗性的区域进行照射，从而提高治疗效果。为在一只170克重、已麻醉的雌性Fisher 5344大鼠脑内接种胶质瘤细胞，首先需通过脚趾夹捏无反应确认其处于麻醉状态，然后去除从眼部水平至颅骨后部的毛发，并在动物眼睛上涂抹眼膏。将动物固定于立体定位仪中。使用聚维酮碘对暴露的皮肤进行消毒，并通过一条两厘米长的正中头皮切口暴露颅骨。使用金刚石钻头，在右侧额叶半球前囟后方两毫米、外侧两毫米半处钻一个直径一毫米的孔。接下来，用29号胰岛素注射器吸取5 µL细胞悬液，在立体定位引导下，使用微型注射泵控制器将细胞注入颅骨下3 mm深处，然后缓慢拔出针头。用骨蜡封闭切口。随后，用聚维酮碘溶液对皮肤进行缝合并消毒，并使用红灯照射以维持动物术后体温稳定，持续监测直至其完全恢复。接种后第8天，将30号针头连接至一段60厘米长的导管。将导管插入小鼠侧尾静脉，然后将麻醉后的动物置于MRI床中。将该床放入带有固定大鼠脑表面线圈的支架内，并将床置于72毫米大鼠专用射频发射线圈中。 然后，使用定位扫描评估肿瘤生长情况，接着进行T2加权自旋回波扫描。若确认存在肿瘤，则开始为期12分钟的动态对比增强MRI采集，并在扫描开始30秒后通过预先置入静脉的导管注射含钆的对比剂。为绘制信号强度随时间变化的曲线，使用图像序列分析工具在疑似肿瘤区域内选择一个感兴趣区域，分析所得动态对比增强曲线的形态，以确认胶质母细胞瘤的存在。然后，获取增强对比的T1加权自旋回波序列。对于目标区域的多模态成像，将26号导管插入尾静脉，注入37兆贝可的感兴趣PET放射性示踪剂以及200微升生理盐水至导管中。在PET扫描开始前15分钟，通过尾静脉导管注射MRI对比剂，并将麻醉后的大鼠置于定制的多模态成像床中。在颅骨下方、上方和右侧各放置一个多功能标记物。使用钩环固定装置将大鼠固定在床板上。将床板放入MRI扫描仪的动物固定器中，固定大鼠脑部表面线圈，并将整个装置置于72毫米大鼠固定体发射线圈内。获取定位像扫描，然后进行如图所示的对比增强T1加权自旋回波序列扫描。在T1扫描结束后，将动物转移至PET仪器，并根据所注射PET示踪剂的参数，以列表模式采集相应的30分钟静态PET扫描数据。随后，将床体转移至固定在微辐照仪四轴机器人定位台上的塑料支架上。使用1毫米厚的铝滤膜和20厘米×20厘米的非晶硅平板探测器，获取高分辨率的治疗计划CT扫描图像。手动选择灰度值阈值，直至实现骨骼、软组织和空气的良好分割。确保颅骨内部无空气存在。制定治疗计划时，将计划用的计算机断层扫描（CT）图像导入临床前治疗计划系统（PCTPS），并手动将CT图像分割为三种不同的组织类型。通过将CT扫描中颅骨信号增强区域与MRI扫描中的黑色信号区域精确重叠，可实现精准融合。加载MRI扫描图像，并利用刚性变换、多模态标记物以及颅骨结构进行配准。将 MRI 导入 PCTPS。首先填写变换矩阵。在 CT 与 MRI 之间切换并反复检查配准效果，逐步添加左侧、右侧、后侧、前侧、下侧和上侧的平移与旋转参数，直至实现完美的图像融合。然后，在T1加权MRI上选择对比增强肿瘤中心的靶区或照射区域。如果需要额外包含PET信息，请使用生物医学图像定量软件进行CT/MRI与PET的配准。首先加载CT扫描图像，然后加载PET扫描图像。加载 PET 扫描图像时，检查其方位。调整 PET 图像的颜色标尺及方位。对图像应用高斯滤波器，使肿瘤中的示踪剂摄取清晰可见。调整CT对比度以启动图像融合过程，实现PET与MRI图像的融合，并在定量分析软件中使用勾画工具。配准完成后，在定量分析软件中选择PET示踪剂摄取增高区域中心的目标病灶。结合旋转和平移操作，并在图像的所有层面中检查融合效果。选择示踪剂摄取最高的区域中心，并提取其坐标。然后将坐标手动输入至PCTPS中。如果自动的PET-MRI与CT图像融合工具未能生成良好的融合效果，可使用勾画工具和手动变换来优化融合结果。选择规定的剂量、弧形照射数量、弧形位置、弧形旋转范围以及准直器尺寸，并根据相应的 MRI 或 PET-MRI 引导放射治疗调整设置。在实际照射时，选择 0.5 毫米铜滤片，将 X 射线电压设为 220 千伏，X 射线电流设为 13 毫安，并将右侧准直器置于机架上。然后，将适当的射束输送参数从 PCTPS 传输至微辐照仪，以执行放射治疗。为了在临床前模型中模拟人类胶质母细胞瘤放疗的治疗方法，放疗等中心应选择在T1加权MRI上对比增强肿瘤区域的中心位置，正如刚刚所展示的。在本实验中，针对五只不同的动物，计算了靶区体积和正常脑组织体积的平均剂量、最小剂量及最大剂量的分布情况以及累积剂量-体积直方图。对于MRI与CT影像模式的共配准，生物医学图像定量软件提供了多种用于刚性匹配的工具。通过应用一种简单的转换方法，可将基于MRI和PET的等中心点转移至PCTPS，用于计算每个等中心点内的辐射剂量。只要操作得当，一种小型特定技术即可用于大鼠和小鼠肿瘤的照射实验。在进行该操作时，必须注意在动物处于麻醉状态期间对其进行密切监测。观看本视频后，您应能充分理解如何对感兴趣的小动物肿瘤靶区进行影像引导下的辐照。

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Research

科研

JoVE Journal

Cancer Research

癌症研究

PET 与 MRI 引导下微器对大鼠胶质瘤模型的照射

脑肿瘤患者通常需要接受颅脑放射治疗，这种治疗虽然有益，但常常导致严重的认知功能障碍。这一尚未解决的严重问题目前在临床上尚无应对措施，因此推动了我们致力于开发基于干细胞的疗法，以恢复放射治疗引起认知功能下降。...

用于恢复颅脑放疗所致认知功能障碍的干细胞移植策略

本文旨在介绍一种用于化疗放疗研究的原位胶质母细胞瘤模型。文章将详细阐述利用颅内模型进行小鼠细胞处理、移植及放射治疗的步骤。...

原位小鼠脑肿瘤模型中的联合放射治疗

将GL261细胞颅内植入C57BL/6小鼠可诱导生成恶性胶质瘤，其特征与人类多形性胶质母细胞瘤的多种典型特征相似。我们采用稳定表达荧光素酶的GL261细胞，以便通过体内成像技术监测肿瘤进展过程。本文展示了手术操作及三维体内成像方法。...

颅内植入及后续三维成像 体内 小鼠胶质瘤的生物发光成像

我们介绍一种集成方法，用于将人多形性胶质母细胞瘤细胞精确、立体定向地植入裸鼠脑内，并进行后续系列 体内...

立体定向颅内植入与 体内 多形性胶质母细胞瘤小鼠模型系统中肿瘤异种移植的生物发光成像

来源：Bolcaen, J.，等，利用微型辐照仪对胶质母细胞瘤大鼠模型进行正电子发射断层扫描与磁共振成像引导下的辐照。 J. Vis. Exp.

建立胶质母细胞瘤大鼠模型

针对多能干细胞来源畸胎瘤的治疗策略研究对于干细胞治疗的临床转化具有重要意义。本文中，我们描述了一种实验方案：首先在小鼠体内生成干细胞来源的畸胎瘤，随后利用小型动物照射器在活体中选择性靶向并治疗这些肿瘤。...

利用外照射放疗在小型动物模型中靶向选择性治疗多能干细胞来源的畸胎瘤

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。...

基于正电子发射断层扫描的剂量雕刻放射治疗在胶质母细胞瘤大鼠模型中的应用——使用小型动物放射研究平台

在此，我们描述了一种用于胶质母细胞瘤（GBM）的临床前原位小鼠模型，该模型通过将来源于基因工程小鼠模型肿瘤的细胞进行颅内注射而建立。该模型呈现出人类GBM疾病的典型特征。在转化研究中，小鼠脑肿瘤可通过影像学手段进行追踪 体内 MRI 与组织病理学...

多形性胶质母细胞瘤的转化性原位模型

我们提出了一种新的方法，利用双光子显微镜在小鼠模型中研究荧光标记的氧化铁纳米颗粒向胶质母细胞瘤递送的过程。...

小鼠模型中胶质母细胞瘤的双光子活体显微成像

血脑屏障是胶质母细胞瘤治疗药物递送的重大障碍，而该疾病目前尚无治愈手段。本文报道了一种体内成像引导的氧化铁治疗性纳米平台，该平台凭借其尺寸可绕过这一生理屏障，并在肿瘤部位富集。...

纳米颗粒递送寡核苷酸载荷在多形性胶质母细胞瘤动物模型中的应用

胶质母细胞瘤是一种破坏性极强的原发性脑癌，而激光间质热疗正逐渐成为无法手术切除的胶质母细胞瘤的一种有前景的替代传统手术切除的治疗方法。本方案描述了一种优化的临床前小鼠模型，可用于研究治疗效果或辅助治疗与联合治疗方案。...

一种用于胶质母细胞瘤激光间质热疗的免疫活性小鼠模型

了解PET与MRI引导下微器对大鼠胶质瘤模型进行精准照射的方法。该技术利用三维适形放疗结合PET亚体积增强，可提高肿瘤靶向精度并改善治疗效果，为临床前放射治疗研究提供新思路。

使用微型照射器对胶质母细胞瘤大鼠模型进行PET与MRI引导下的照射

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