Bestrahlungsinbetriebnahme und Dosimetrie zur Bewertung von LQ-α und β Parametern, Strahlungsdosierungsschema und in-vivo-Dosisabscheidung
11. März 2021
Die Strahlendosimetrie bietet eine Technik zur Verbesserung der Genauigkeit präklinischer Experimente und zur Sicherstellung, dass die gelieferten Strahlendosen eng mit klinischen Parametern verknüpft sind. Dieses Protokoll beschreibt die Schritte, die in jeder Phase während präklinischer Strahlungsexperimente zu ergreifen sind, um eine ordnungsgemäße versuchsweise Planung zu gewährleisten.
Dieses Protokoll ist eine neuartige Kombination mehrerer radiobiologischer und strahlendosimeterischer Methoden, um genaue, reproduzierbare, präklinische Strahlentherapieexperimente zu gewährleisten. Diese Methoden verknüpfen experimentelle Bedingungen mit nationalen Dosisstandards und ermöglichen genaue Messungen von Dosen, die den Strahlenbehandlungsdosen entsprechen. Mit dem Schwerpunkt auf der Entwicklung reproduzierbarer Strahlentherapieexperimente bietet dieses Protokoll den Forschern die Werkzeuge und Methoden, die für die Durchführung von Studien mit hoher translationaler Relevanz erforderlich sind.
Dosimetrische Kalibrierprotokolle können für Anfänger eine Herausforderung sein, insbesondere für Personen ohne Hintergrund in der medizinischen Physik. Wir empfehlen, einen Strahlentherapie-Physiker zu konsultieren, wenn er diese Experimente zum ersten Mal versucht. Die Techniken in diesem Protokoll sind sowohl Strahlenphysikern als auch biomedizinischen Forschern gemeinsam.
Jedoch, einige von ihnen werden in der Regel nicht in Kombination verwendet. Um die entsprechende Dosisleistung zu bestimmen, stellen Sie den Bestrahlungskörper so ein, dass er Strahlung mit einer Spitzen-Kilovoltund-Strahlung von 220 und 13 Milliampere mit einem 17 mal 17 Zentimeter großen offenen Feld liefert, das 35 Zentimeter von der Quelle entfernt positioniert ist. Filtern Sie den Strahl mit einem 0,15 Millimeter Kupferfilter mit einem breiten Fokus und richten Sie die ein Zentimeter große Platte, die zwei Zentimeter große Platte, die zwei Zentimeter große Platte mit der Ionisationskammer und die ein Zentimeter große Platte aus.
Legen Sie nach dem Einrichten des Phantomstapels die Ionisationskammer in das Phantom ein und passen Sie die Stapel so an, dass die Quelle auf den Oberflächenabstand 33 Zentimeter beträgt, wenn sie entsprechend abgeglichen wird. Bestätigen Sie dann, dass diese Messungen korrekt innerhalb der Ionisationskammer 35 Zentimeter vom Isozentrum entfernt platziert sind. Um eine radiochrome Filmkalibrierungskurve zu erstellen, bereiten Sie mehrere zusätzliche Filmstücke gleicher Größe und Ausrichtung vor und legen Sie den Film in einer Tiefe von zwei Zentimetern in den Festen Wasser-Phantomstapel.
Um die Bestrahlung zu beginnen, legen Sie ein Stück Film auf vier Zentimeter festes Wasser und legen Sie die restlichen zwei Zentimeter festes Wasser über die Folien. Nachdem Sie Filmscans nach der Belichtung benötigt haben, importieren Sie die Bilddateien in ImageJ in einem tiff-Dateiformat, und wählen Sie Bild, Farbe und Split Channels aus. Verwenden Sie nur im roten Bildkanal das Rechteckwerkzeug, um einen Bereich von Interesse zu zeichnen, und drücken Sie Strg+M, damit die Mittelwerte aus dem Ergebnisfenster transkribiert werden können.
Sobald alle Pixelwerte für die nicht exponierten und exponierten Filme ermittelt wurden, berechnen Sie die optische Nettodichte anhand der angegebenen Gleichung, und zeichnen Sie dann die optische Nettodichte mit der Dosis, bei der der Film exponiert wurde, und passen sie der Handlung mit einer quadratischen Kurve an. Um den Alpha/Beta-Wert für bestimmte Krebszelllinien über einen clonogenen Assay zu bestimmen, zählen Sie die resultierende Anzahl von Kolonien in jeder Behandlungsgruppe, um die Berechnung des Überlebensanteils jeder Platte zu ermöglichen, und zeichnen Sie dann das natürliche Protokoll der Überlebensfraktion mit der entsprechenden dosiseinlieferung und passen die Kurve mit einer quadratischen Funktion an. Um die spezifische Dosisleistung für variable Versuchsdesigns zu bestimmen, wählen Sie eine gewünschte Feldgröße und einen gewünschten Abstand von der Quelle aus und verwenden Sie Festwasser-Phantome, um bei Bedarf Aufbau und Rückstreuung bereitzustellen, indem Sie das Filmstück in der Ausrichtung positionieren, die das experimentelle Design am besten darstellt.
Die Dosis kann dann anhand der Optischen Nettodichte des Films anhand der Filmkalibrierungskurve für die Dosis bestimmt werden. Um die geeignete Strahlposition für eine Tumorlager-Mausbehandlung zu bestimmen, nachdem sie einen Mangel an Reaktion auf Pedalreflex bestätigt hat, verwenden Sie eine Bordportalkamera und einen Aluminiumfilter, um ein Radiogramm der experimentellen Maus ohne Kollimation zu erhalten, dann ein Radiogramm mit Kollimation an Ort und Stelle zu erhalten und die Radiogramme in ImageJ zu überlagern, um die Strahlpositionierung zu bestimmen. Anhand der gezeigten Kalibrierkurve können zwei Filmproben erzeugt werden, mit denen die erforderlichen experimentellen Bestrahlungszeiten abgeschätzt werden können.
Die Überlagerung dieser Bilder wird die genaue Positionierung des kollimierten Strahlungsstrahls im Verhältnis zu dem zu behandelnden Kleintier zeigen. Eine erfolgreiche Dosisabscheidung kann dann durch die positive Gamma-H2AX-Färbung, die innerhalb der behandelten Hemisphäre beobachtet wurde, nur in dieser repräsentativen Analyse bestätigt werden. Konsequent zu bleiben, wenn Sie von der Bestimmung der Strahlungsleistung zur Erzeugung einer Filmkalibrierungskurve und zur Bestimmung der Dosis für Ihr ideales experimentelles Design bewegen, ist entscheidend.
Die Befolgung dieser Protokolle ermöglicht es den Forschern, eine Vielzahl klinisch anwendbarer radiobiologischer Fragen in einem präklinischen Umfeld zu untersuchen. Diese Fragen können zu einem besseren Verständnis der Patientenergebnisse führen. Dieses Protokoll ist keine eigenständige neue Technik.
Die Kombination dieser Methoden wird jedoch zu einer direkten klinischen Relevanz führen und Einblicke in die Ergebnisse der in der Klinik beobachteten Dosen geben.
Übersicht
Dieses Protokoll verbessert die Genauigkeit präklinischer Strahlentherapie-Experimente, indem experimentelle Bedingungen mit nationalen Dosisnormen verknüpft werden. Den Forschern werden Methoden bereitgestellt, um eine korrekte Versuchsplanung sicherzustellen, was letztendlich zu klinisch relevanteren Ergebnissen führt.
Wesentliche Studienkomponenten
Forschungsbereich
- Strahlendosimetrie
- Präklinische Experimentierung
- Onkologie
Hintergrund
- Methoden der Strahlendosimetrie verbessern die experimentelle Genauigkeit.
- Für Anfänger ohne Hintergrund in medizinischer Physik bestehen Herausforderungen.
- Die Kombination von Methoden ermöglicht eine verbesserte Reproduzierbarkeit.
Verwendete Methoden
- Kalibrierprotokolle für dosimetrische Messungen
- Festwasser-Phantome und Ionisationskammern zur Dosisbestimmung
- Verwendung von radiochromem Film zur Dosis-Kalibrierung und Bewertung der Dosisabgabe
Hauptergebnisse
- Methoden, die mit klinischen Strahlentherapiedosen verknüpft sind.
- Erfolgreiche Abschätzung von Bestrahlungszeiten und Dosisabgabe.
- Lieferung von Erkenntnissen zu präklinischen radiobiologischen Fragestellungen.
Schlussfolgerungen
- Diese Studie stellt eine Methode zur Verbesserung der Planung von Strahlentherapie-Experimenten vor.
- Die Ergebnisse sind relevant, um das Verständnis von Behandlungsergebnissen bei Krebs voranzubringen.
Häufig gestellte Fragen
Praktische Bedeutung für die Industrie
Eine genaue Strahlendosimetrie ist entscheidend für reproduzierbare präklinische Strahlentherapiestudien und ermöglicht die direkte Übertragung von Dosierungsschemata in den klinischen Kontext. Dieses Protokoll verknüpft experimentelle Bestrahlungsparameter mit nationalen Standards und reduziert so die Variabilität bei der effektiven Dosisabgabe in in-vitro- und in-vivo-Modellen. Durch die Etablierung von Dosis-Wirk-Beziehungen mittels klonogener Assays und filmbasierter Kalibrierung können Forscher die Unsicherheiten bei translationalen Vorhersagen in Studien zur Kombination von Onkologika mit Strahlentherapie verringern.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Untersuchung der Mechanismen von DNA-Schadensantwortwegen mittels Gamma-H2AX-Färbung als funktionellem Nachweis strahleninduzierter Doppelstrangbrüche.
- Operativer Wert: Liefert quantitative Daten zur Überlebensfraktion aus klonogenen Assays, um die intrinsische Strahlenempfindlichkeit von Krebszelllinien zur Priorisierung von Zielstrukturen zu bestimmen.
- Prädiktiver Wert: Unterstützt die Abschätzung der Alpha/Beta-Parameter aus der linearen quadratischen Modellierung, um Fraktionierungsschemata mit äquivalenten biologischen Effektdosen abzuleiten.
Screening und Assay-Entwicklung
- Assay-Bereitschaft: Erstellt standardisierte Kalibrierungskurven für radiochromatische Filme zur reproduzierbaren Dosisbestimmung bei variablen Feldgrößen und Tiefen in Festwasser-Phantomen.
- Quantitative Ausgabe: Ermöglicht die Umrechnung der netto optischen Dichte in Dosis mittels quadratischer Kurvenanpassung und damit eine präzise Überprüfung der Dosisabgabe in Experimenten an Kleintieren.
- Plattformwiederverwendung: Unterstützt die Konsistenz zwischen Experimenten, indem Ionisationskammer- und filmbasierte Dosimetrieaufbauten für verschiedene Bestrahlungsanordnungen wiederverwendet werden können.
Translationale und präklinische Forschung
- Klinische Relevanz: Ermöglicht die Abstimmung präklinischer Bestrahlungsprotokolle auf klinisch äquivalente biologische effektive Dosen unter Verwendung von aus dem LQ-Modell abgeleiteten Parametern.
- Translationaler Zusammenhang: Verbindet die in-vitro-Untersuchung der Strahlenempfindlichkeit mit der in-vivo-Validierung der Dosisverteilung in Tumormodellen durch konsistente dosimetrische Rückverfolgbarkeit.
- Risikoadjustierte Weiterentwicklung: Verringert störende Einflüsse in Studien zu Kombinationstherapien, indem sichergestellt wird, dass die applizierten Strahlendosen den vorgesehenen effektiven Dosen über alle Versuchsgruppen hinweg entsprechen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese Methode ist in den Onkologie-Entdeckungsprozess von der Target-Validierung bis zur Leitstruktur-Optimierung integriert, insbesondere für strahlenmodulierende Wirkstoffe, bei denen die Dosisgenauigkeit die pharmakodynamischen Messwerte beeinflusst.
- Entdeckungsbiologie: Unterstützt die Hypothesenprüfung von DNA-Reparaturmechanismen, indem präzise Strahlendosen appliziert werden, um quantifizierbare Gamma-H2AX-Foci in behandelten Geweben zu erzeugen.
- Screening: Stellt die Reproduzierbarkeit von Assays sicher, indem mittels Solid-Water-Phantom die Aufbaudosis und Rückstreuungskorrektur durchgeführt wird, um eine konsistente Dosisabgabe über verschiedene Mehrbrunnenplattenformate hinweg zu gewährleisten.
- Analytik: Liefert Überlebensfraktions- und logarithmisch transformierte Dosis-Wirkungs-Datensätze zur quadratischen Kurvenanpassung zur Bestimmung der Alpha- und Beta-Parameter.
- Translationale Forschung: Verknüpft aus klonogenen Experimenten abgeleitete Alpha/Beta-Verhältnisse mit in-vivo-Fraktionierungsschemata über die Prinzipien der biologisch wirksamen Dosis für eine äquivalente Tumorkontrollwahrscheinlichkeit.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Schafft einen wiederverwendbaren Dosimetrierahmen, der auf verschiedene Bestrahlungsgerätemodelle und experimentelle Designs anwendbar ist und dadurch die Variabilität der Aufbauten in multizentrischen präklinischen Studien verringert.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Mechanistische Entlastung strahleninduzierter Biomarker durch validierte Dosisdeposition in spezifischen anatomischen Regionen.
- Operationaler Wert: Standardisierung der Überprüfung der Strahlungsabgabe mittels ionisationskammer- und filmbasierter Kreuzkalibrierung gegenüber nationalen Dosimetriestandards.
- Strategischer Wert: Verbesserte Go/No-Go-Entscheidungen für Strahlenkombinationstherapien durch Eliminierung der Dosisapplikationsvarianz als störender Faktor.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht risikoadjustierte Priorisierung von Wirkstoffkandidaten basierend auf reproduzierbarer Modulation der Strahlenempfindlichkeit in klinisch relevanten Dosierungsschemata.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in Strahlenschutz und grundlegenden Dosimetrieprinzipien für den korrekten Aufbau von Phantomen und die Ausrichtung des Bestrahlungsgeräts.
- Ist abhängig von der Messtechnik, einschließlich Elektrometer, Ionisationskammer, Solid-Water-Phantomen, radiochromatischen Filmen und Software zur Bildanalyse (z. B. ImageJ).
- Erfordert eine standardisierte Zusammenarbeit zwischen Strahlungsphysikern und Biologen, um eine konsistente Interpretation der Dosisparameter sicherzustellen.
- Beinhaltet Anpassungsüberlegungen für unterschiedliche Feldgrößen, Tiefen und Abstände von der Strahlenquelle zur Oberfläche bei der Modellierung verschiedener experimenteller Anordnungen.
- Zu den praktischen Einschränkungen gehören das Verblassen der Filme, das eine zeitnahe Scannung nach der Bestrahlung erfordert, sowie die Notwendigkeit energieabhängiger Korrekturfaktoren, wenn von kalibrierten Strahlqualitäten abgewichen wird.
Biopharma-Häufig gestellte Fragen
Chapters in this video
0:05
Introduction
1:14
Dose Output Determination
2:12
Radiochromic Film Calibration Curve Creating
3:26
Alpha/beta and Specific Dose Output Value Determination
4:22
Beam Positioning for Mouse Tumor Treatment
4:52
Results: Representative Irradiator Commissioning and Dosimetry
5:28
Conclusion
