Gewebe-Simulation Phantoms zur Bestimmung der potentiellen Near-Infrarot-Fluoreszenz-Imaging-Anwendungen in Brustkrebschirurgie

Nahinfrarot-Fluoreszenzbildgebung (NIRF) kann das therapeutische Ergebnis von Brustkrebsoperationen verbessern, indem sie die intraoperative Tumorlokalisierung und die Bewertung des chirurgischen Randstatus ermöglicht. Unter Verwendung von gewebesimulierenden Brustphantomen, die fluoreszierende tumorsimulierende Einschlüsse enthalten, können potenzielle klinische Anwendungen der NIRF-Bildgebung bei Brustkrebspatientinnen zu Standardisierungs- und Schulungszwecken bewertet werden.

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, Nahinfrarot-Fluoreszenzbildgebungsanwendungen bei brusterhaltenden Operationen mit Geweben wie Brustphantomen zu simulieren. Dies wird erreicht, indem zunächst tumorartige fluoreszierende Einschlüsse unterschiedlicher Größe und Form erzeugt werden. Der zweite Schritt besteht darin, die fluoreszierenden Einschlüsse in brustförmige Phantome zu integrieren, deren optische Eigenschaften denen des menschlichen Brustgewebes ähneln.

Als nächstes wird das Nahinfrarot-Fluoreszenzbildgebungssystem angewendet, um den Chirurgen intraoperativ bei der Lokalisierung und Entfernung des fluoreszierenden tumorartigen Einschlusses zu unterstützen. Der letzte Schritt besteht darin, den Rand der Operationshöhle nach Entfernung des fluoreszierenden tumorartigen Einschlusses auf das Vorhandensein einer Resterkrankung zu scannen. Falls zutreffend, kann der Chirurg dann das verbleibende Tumorgewebe herausschneiden, das mit dem Nahinfrarot-Fluoreszenzbildgebungssystem gesteuert wird.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie Bett-CT oder MRT ist die Nahinfrarot-Fluoreszenz. Die optische Bildgebung liefert hochauflösende Bilder in Echtzeit und kann problemlos in einer intraoperativen Umgebung angewendet werden. Darüber hinaus ist diese Technik kostengünstig und nutzt nichtionisierende Strahlung.

Das Verfahren wird von einem Doktoranden aus unserer Forschungsgruppe demonstriert. Sammeln Sie zunächst feste Gegenstände in der gewünschten Form und Größe, die als Modelle für tumorsimulierende Einschlüsse wie Kügelchen oder Murmeln dienen können. Reinigen Sie die Tumormodelle gründlich und entfernen Sie alle Unregelmäßigkeiten.

Platzieren Sie jedes Modell in einer separaten, dünnwandigen, quadratischen Kunststoffbox mit glatter Oberfläche. Befestigen Sie das Modell bei Bedarf am Boden der Box, um es in Position zu halten. Gießen Sie dann die benötigte Menge Silikonkomponente A in eine Rührschüssel und fügen Sie Silikonkomponente B im Verhältnis 10 zu eins nach Gewicht hinzu.

Beide Komponenten gründlich vermischen. Gießen Sie die Silikonmischung vorsichtig in die Kunststoffbox, um Luftblasen zu vermeiden. Lassen Sie die Silikonmischung mindestens sechs Stunden lang erstarren, bevor Sie die Form schneiden und das Tumormodell entfernen.

Optional kann die Silikonform im Zickzack-Muster geschnitten werden, damit sie wieder sauber zusammenpasst. Um fluoreszierende Einschlüsse zu erzeugen, fügen Sie zwei Gramm aros zu 50 Millilitern gepufferter Tris-Kochsalzlösung oder TBS hinzu, die mit Natriumazid hergestellt wurde, wie im Textprotokoll beschrieben. Die Arous-Aufschlämmung in der Mikrowelle erhitzen, bis der Siedepunkt erreicht ist.

Gründlich rühren, bis sich der Aros vollständig aufgelöst hat. Fügen Sie 1,1 Gramm Hämoglobin und fünf Milliliter Intralipid, 20 % bis 50 Milliliter TBS hinzu und fügen Sie dies der aros-Mischung unter ständigem Rühren hinzu, um den optischen Eigenschaften der umgebenden Brust zu ähneln. Phantomgewebe fügen Sie 20,0 Milligramm des Fluoreszenzfarbstoffs Incy und Grün zu 83,8 Millilitern deionisiertem Wasser hinzu.

Pipettieren Sie fünf Milliliter aus dieser Lösung und fügen Sie sie der aros-Mischung hinzu. Um eine Endkonzentration von 14 Mikromolaren zu erhalten. Füllen Sie die Silikonformen vorsichtig mit einer Spritze mit der H aros-Mischung.

Lassen Sie den fluoreszierenden Einschluss etwa eine Stunde lang bei Raumtemperatur erstarren. Schützen Sie die Einschlüsse vor Licht, indem Sie die gesamte Form mit Aluminiumfolie abdecken. Nach dem Erstarren die Form vorsichtig öffnen und den Einschluss ausdrücken.

Schützen Sie die Aros-Einschlüsse vor Licht und Austrocknung, indem Sie sie in Alufolie einwickeln und in einem befeuchteten Vorratsbehälter bei vier Grad Celsius aufbewahren. Besorgen Sie sich eine becherförmige Form, um Brustphantome der gewünschten Größe und des gewünschten Volumens zu erstellen, um ein Brustphantom zu erstellen. Mit einem Volumen von 500 Millilitern 50 Gramm Gelatine, 250 Bloom zu 500 Millilitern TBS hinzufügen.

Erhitzen Sie die Gelatineaufschlämmung unter ständigem Rühren auf 50 Grad Celsius. Sobald sich die Gelatine vollständig aufgelöst hat, lassen Sie die Gelatinemischung allmählich abkühlen und halten Sie sie auf einer konstanten Temperatur von 35 Grad Celsius. Fügen Sie in einem heißen Wasserbad unter ständigem Rühren 5,5 Gramm Rinderhämoglobin hinzu, um die Absorption von Photonen zu simulieren, und 25 Milliliter Intralipid.

20%, um die Streuung von Photonen im Gewebe zu simulieren. Kühle die becherförmige Form mindestens eine Stunde lang bei vier Grad Celsius vor. Einmal abgekühlt.

Gießen Sie die Gelatinemischung in die Form bis zu einem Niveau, das der vordefinierten Tiefe des Aros-Tumors entspricht. Inklusion simulieren. Lassen Sie die Gelatinemischung bei vier Grad Celsius 30 Minuten bis eine Stunde lang festigen.

Nach der Erstarrung positioniert sich ein fluoreszierender Tumor auf der Oberfläche des Phantoms und fixiert den Einschluss vorübergehend mit einer kleinen Nadel. Gießen Sie den Rest der warmen Gelatinemischung in das verbleibende Formvolumen, damit beide Schichten haften bleiben, ohne Brechungsartefakte zu erzeugen. Markieren Sie die Position des fluoreszierenden Tumors, um Einschlüsse auf der Form zu simulieren, bevor Sie das Phantom über Nacht bei vier Grad Celsius erstarren lassen.

Entfernen Sie nach dem Erstarren die Nadeln, die zur vorübergehenden Fixierung der Einschlüsse verwendet wurden, und entfernen Sie das Brustphantom vorsichtig aus seiner Form. Schützen Sie das Brustphantom vor Licht und Austrocknung, indem Sie es in Alufolie einwickeln und in einem befeuchteten Vorratsbehälter bei vier Grad Celsius aufbewahren. Für die Simulation der gezielten Fluoreszenzbildgebung in der Brustkrebschirurgie wird ein Nahinfrarot-Fluoreszenzkamerasystem für die intraoperative Anwendung benötigt.

Siehe das Textprotokoll zur Einrichtung des fluoreszierenden Kamerasystems. Nehmen Sie das Gewebe, das das Brustphantom simuliert, aus seinem Behälter und legen Sie es auf eine flache, nicht fluoreszierende Oberfläche. Positionieren Sie als nächstes das fluoreszierende Bildgebungsgerät über dem Brustphantom und lassen Sie einen ausreichenden Arbeitsabstand für die Entfernung des Tumors.

Simulation von Einschlüssen, Lokalisierung des Tumors durch Simulation von Fluoreszenzeinschluss durch Palpation und/oder Fluoreszenzbildgebung der Phantombrust, falls kein Fluoreszenzsignal nachgewiesen werden kann. Der Einschluss wird entweder zu tief im Phantom positioniert, um ihn zu detektieren, oder die Bildaufnahmezeit sollte erhöht werden, sobald der Einschluss in der Größe lokalisiert ist, die Phantombrust und die Entfernung des Tumors. Simulation des Einschlusses unter Echtzeit-Fluoreszenzführung unter Verwendung konventioneller chirurgischer Geräte unmittelbar nach der Entfernung des Tumors Simulation des Einschlussbildes, des chirurgischen Hohlraums für eine verbleibende Fluoreszenzaktivität, die auf eine unzureichende Exzision hinweist, falls eine verbleibende Fluoreszenzaktivität vorhanden ist.

Den Einschlussrest unter direkter Fluoreszenzkontrolle herausschneiden, bis kein Fluoreszenzsignal mehr im Bild vorhanden ist. Die herausgeschnittenen Phantomfragmente sollen für den fluoreszierenden makroskopischen Randstatus simuliert werden. Hier sind repräsentative Ergebnisse der fluoreszenzgesteuerten intraoperativen Tumorlokalisation dargestellt.

Fluoreszierende tumorartige Einschlüsse wurden bis zu einer Tiefe von etwa zwei Zentimetern nachgewiesen. Tiefere samierte Einschlüsse wurden nach Inzision von überlagerndem Phantomgewebe detektiert. Der Chirurg wurde kontinuierlich von dem Fluoreszenzsignal geleitet, das von dem fluoreszierenden tumorartigen Einschluss ausging.

Bei der brusterhaltenden Operation an den Phantomen nach Entfernung des tumorartigen Einschlusses beurteilte der Chirurg das Ausmaß der Operation durch Scannen der Operationshöhle. Jedes verbleibende Fluoreszenzsignal deutete auf eine unvollständige Tumorexzision hin, und der Tumorrest wurde während desselben chirurgischen Eingriffs entfernt. Nach der Exzision des tumorartigen Einschlusses wurde der exzidierte Knoten abgebildet, um den Status des chirurgischen Bruttomargens zu beurteilen.

Die Fluoreszenzbildgebung kann die Beurteilung des mikroskopischen Randstatus durch einen Pathologen unterstützen, indem Bereiche lokalisiert werden, die für enge oder positive Ränder verdächtig sind. Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf bessere Ergebnisse für brusterhaltende Operationen, indem Nahinfrarot-Fluoreszenz- und optische Bildgebungsmittel mit gezielten Myers, wie z. B. monoklonalen Antikörpern, konjugiert werden. Eine gezielte Verabreichung von Fluoreszenzmitteln kann für intraoperative Bildgebungsanwendungen erreicht werden.