Implementación metodológica de sistemas de irradiadores para animales pequeños en estudios preclínicos guiados por imagen

Resumen

Este protocolo describe la implementación metodológica de dos sistemas de irradiadores para pequeños animales destinados a estudios preclínicos de radiación con guía por imagen. Se detallan la configuración del sistema, los flujos de trabajo de imagen, los procedimientos de planificación del tratamiento y las consideraciones para la administración de la irradiación, con el fin de apoyar experimentos reproducibles y clínicamente relevantes en pequeños animales.

Resumen

La investigación radiobiológica preclínica es esencial para avanzar en la comprensión de cómo diferentes características en la administración de la radiación influyen en las respuestas biológicas y para optimizar estrategias de tratamiento en diversos sitios diana. La precisión, la reproducibilidad y la relevancia traslacional de estos estudios dependen de la implementación adecuada de plataformas de irradiación guiadas por imagen en animales pequeños que modelen con exactitud los flujos de trabajo de la radioterapia clínica. El presente artículo describe el funcionamiento práctico de dos sistemas de radioterapia preclínica ampliamente utilizados, que emplean guía por imagen para la irradiación de alta precisión en animales pequeños. Aunque ambos sistemas están diseñados para administrar radiación conformal con guía por imagen, difieren en aspectos clave de ingeniería, como las especificaciones del tubo de rayos X, la distancia fuente-eje (SAD), la colimación del haz, los mecanismos de blindaje, la geometría mecánica y el software de planificación de tratamiento. Estas diferencias afectan la configuración del sistema, los flujos de trabajo de irradiación y la administración del tratamiento. Al detallar las consideraciones metodológicas y los procedimientos operativos para ambas plataformas, este protocolo ofrece a los investigadores orientaciones prácticas para diseñar, implementar y reproducir experimentos preclínicos de radiación con relevancia traslacional.

Introducción

El cáncer es una de las principales causas de muerte en el mundo¹. La radioterapia, la cirugía y la quimioterapia son los tratamientos principales contra el cáncer². Se estima que aproximadamente la mitad de todos los pacientes con cáncer necesitan radioterapia como parte de su tratamiento³. Los estudios preclínicos en modelos animales, que por lo general están diseñados para evaluar la seguridad, los mecanismos biológicos y la eficacia terapéutica de un enfoque de tratamiento, constituyen la base para el desarrollo de ensayos clínicos y, eventualmente, para la traducción clínica de nuevas estrategias terapéuticas. Los irradiadores para pequeños animales con guía por imagen se han convertido en herramientas esenciales en la radioterapia preclínica porque permiten la irradiación conformal y localizada de tumores y órganos de riesgo (OARs) con geometrías y flujos de trabajo diseñados para aproximarse a la administración clínica de radiación y a la planificación del tratamiento^4,5,6. De acuerdo con una revisión reciente⁷, el número de artículos sobre radioterapia con guía por imagen en pequeños animales ha aumentado de menos de 10 por año entre 2007 y 2010 a casi 80 en 2020. Los artículos sobre física y biología abarcan temas que van desde la dosimetría y la planificación del tratamiento hasta la respuesta del tejido tumoral y normal⁷. El objetivo general de este protocolo es proporcionar un marco físicamente fundamentado para comparar dos plataformas ampliamente utilizadas de irradiación en pequeños animales, con el fin de facilitar la selección informada de plataformas que apoyen estudios preclínicos de radiación reproducibles y clínicamente relevantes. El sistema 1 es la Plataforma de Investigación de Radioterapia en Pequeños Animales (SARRP), y el sistema 2 es la Plataforma de Radioterapia de Precisión en Pequeños Animales (SmART+). La justificación para utilizar estos sistemas radica en que los estudios de radiobiología exigen cada vez más un posicionamiento reproducible, localización basada en tomografía computarizada (CT) ^8,9 y conformación de campos que ofrezcan una conformalidad superior del plan, al tiempo que permiten paradigmas clínicamente relevantes, como la hipofraccionación, la irradiación de volumen parcial y las estrategias de preservación de órganos. En radioterapia, debe mantenerse un equilibrio delicado entre la dosis administrada al volumen objetivo y los OARs, lo cual requiere una comprensión exhaustiva de los mecanismos radiobiológicos involucrados^10,11. Para seguir mejorando el conocimiento sobre la respuesta del tejido canceroso y sano a la radiación, es esencial contar con alta precisión, reproducibilidad y exactitud en la administración de la dosis al utilizar irradiadores para pequeños animales en estudios preclínicos.

Aunque ambos sistemas funcionan con haces de rayos X de kilovoltaje hasta 225 kVp, existen diferencias clave en su configuración (véase Figura 1) que pueden requerir consideraciones especiales para ciertos experimentos. El Sistema 1 tiene una distancia fuente-eje (SAD) de 35 cm y utiliza un enfoque de tomografía computarizada cónica centrado en la plataforma, lo que requiere que el objeto gire durante el escaneo. El Sistema 2 tiene una SAD más corta de 30 cm y utiliza un sistema de entrega basado en un brazo giratorio, que requiere que el haz gire alrededor del objeto para el escaneo. Hasta la fecha, el Sistema 1 se ha utilizado para irradiar ratones y ratas, y el Sistema 2 (incluidas versiones anteriores) se ha empleado para irradiar ratones, ratas y canarios^12,13,14. Un protocolo completo de adquisición de imágenes, planificación del tratamiento y administración de la dosis toma aproximadamente 30 minutos por sujeto en estos sistemas. Sin embargo, el flujo de trabajo puede acortarse dependiendo del protocolo seguido. Por ejemplo, ciertos protocolos pueden permitir el uso de un plan genérico único para todos los animales de un lote, lo que omitiría el paso de planificación del tratamiento y reduciría el tiempo total del experimento. Comprender cómo las diferencias entre los irradiadores afectan la tasa de dosis, la definición del campo, el espacio geométrico disponible y las limitaciones del flujo de trabajo proporciona una base para elegir el sistema que mejor se adapte a las necesidades técnicas y experimentales. En el Tabla 1 se proporciona un resumen de las especificaciones físicas y operativas clave del Sistema 1 y el Sistema 2.

Se presenta un resumen del flujo de trabajo general para un estudio típico que involucra la irradiación de animales pequeños (ver Figura 2). Este protocolo describe la implementación metodológica del Sistema 1 y el Sistema 2 para estudios preclínicos de radiación guiados por imágenes. Se detallan la configuración del sistema, los flujos de trabajo de imagen, los procedimientos de planificación del tratamiento y las consideraciones para la administración de la irradiación, con el fin de apoyar experimentos reproducibles y clínicamente relevantes en animales pequeños.

Protocolo

Todos los estudios con animales se realizaron con la aprobación del Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio (IACUC). Los reactivos y el equipo utilizados se enumeran en la Tabla de Materiales.

1 Sistema 1

1. Calentamiento (17,5–72 min)
   NOTA: Durante la instalación y puesta en marcha, el oficial de seguridad radiológica (RSO) de la institución debe realizar una inspección de radiación para asegurarse de que la fuga de radiación fuera del gabinete esté por debajo del umbral de dosis-en-cualquier-una-hora y dosis-en-cualquier-una-semana. Antes de encender el sistema, el usuario debe seguir las instrucciones de seguridad radiológica proporcionadas por el RSO de la institución.
   1. Comience con la llave del Procesador de Módulo (MP1) en la posición 0 (9 en punto). En la máquina Sistema 1, presione el botón verde de inicio. Gire los controles de las luces del gabinete y de los láseres para encenderlos. Gire la llave del MP1 a la posición de espera (12 en punto).
   2. El controlador de registro de datos del MP1 puede mostrar 810 (17,5 min) o 811 (72 min), dependiendo de cuándo se utilizó la unidad por última vez. Si no se muestra ningún programa de calentamiento, seleccione Establecer e introduzca 810. Presione Enter.
   3. Inserte el filtro de cobre de 0,15 mm (véase Figura 3) en la ranura del filtro en la cabeza del brazo. Inserte el colimador de 0,5 mm en el soporte y apriete el tornillo para fijarlo.
   4. Gire la llave del MP1 a la posición de alta energía (3 en punto). Seleccione el botón verde X-ray On para comenzar el calentamiento.
2. Secuencia de referencia y calibración del detector (5 min)
   1. Abra Software 1 (véase Tabla 1).
   2. Una ventana emergente pedirá ajustar la plataforma giratoria. Presione Ok y espere a que la plataforma se mueva a su origen.
   3. En Software 1, asegúrese de que la casilla “Motors Enabled” esté marcada.
   4. Espere a que aparezca el mensaje “Homing Complete”.
   5. En Control de Imagen y Robótica, escriba 90 en el cuadro de demanda del brazo y presione Mover.
   6. Abra la puerta del gabinete del Sistema 1. Deslice la tapa de la ventana de TC hacia arriba y saque la unidad de TC hacia adelante hasta que encaje. Asegúrese de que todas las camillas estén retiradas de la plataforma. Deslice para retirar el colimador y el soporte de la cabeza del brazo. Inserte el filtro de aluminio de 1 mm para la imagen.
   7. En Software 1, bajo Presets de Técnica, seleccione Mouse CT Imaging y presione Aplicar.
   8. Desde la barra de herramientas, seleccione Detector y Calibración del detector para comenzar la calibración.
3. Imagen de tomografía computarizada de haz cónico para ratones (10 min, incluyendo anestesia)
   1. Coloque al ratón en un recinto para anestesiarlo según lo especificado en el protocolo de investigación aprobado.
   2. Abra la puerta del gabinete. Coloque la camilla sobre la plataforma y fíjela apretando el tornillo. Coloque la camilla para roedores sobre la camilla y fíjela con cinta. Conecte el tubo de isoflurano a la cabeza de la camilla y encienda el gas.
   3. Coloque al ratón sobre la camilla en posición prona o supina según el protocolo del experimento.
   4. En Software 1, bajo Control de Imagen y Robótica, seleccione la carpeta del investigador principal y del estudio. Seleccione Adquisición de CBCT.
   5. Asigne un nombre al escaneo. Seleccione el protocolo de reconstrucción deseado, el número de proyecciones 2D (por defecto 360) y la velocidad de la camilla (por defecto 1,5 deg/s). Seleccione OK. Observe la cámara web en la pantalla del software para asegurarse de que no haya colisiones. Si parece inminente una colisión, presione Detener para detener el brazo.
4. Tratamiento (10 min)
   1. Una vez finalizada la imagen, cierre la ventana de Software 2. Abra Software 3. Bajo Experimento, seleccione la carpeta del investigador principal. Bajo Escaneo, seleccione el número del ratón y presione Cargar Reconstrucción.
   2. La CBCT se cargará en 3 paneles. Presione Ajustar ventana. Con el botón izquierdo del ratón presionado, desplace el cursor sobre la imagen y deslice hacia abajo y a la izquierda para ajustar la ventana de la TC.
   3. Una vez ajustadas las densidades, use el botón derecho del ratón y arrastre hacia abajo para ampliar la imagen. Presione el botón de desplazamiento y arrastre para desplazarla. Para evaluar la calidad de la imagen, asegúrese de que no haya artefactos cerca del objetivo y de que el objetivo pueda delimitarse de los OAR circundantes. Una vez satisfecho, presione Registrar.
   4. Si utiliza un plan predefinido, bajo Seleccionar Plan de Referencia, busque y cargue el plan, y luego presione Crear. Si crea un nuevo plan, deje el campo Seleccionar Plan de Referencia como Ninguno.
   5. Seleccione Definir Contornos. Bajo Umbrales de Segmentación, ajuste los umbrales de segmentación para aire, pulmón, grasa, tejido y hueso. Bajo Editar Contornos, para cada órgano de interés, seleccione Agregar y delimite el órgano usando la herramienta de pintura. Ajuste el diámetro del pincel según desee. Un órgano puede contornearse por cortes y luego interpolarse, o usando la herramienta de pincel esférico.
   6. Seleccione Planificación del Tratamiento. Si utiliza un plan predefinido, deslice cada isocentro al centro del órgano objetivo y ajústelo en las tres vistas. Si crea un nuevo plan, bajo Objetivos, presione el signo verde más para cada isocentro deseado y mueva el isocentro al objetivo.
   7. Para cada objetivo, establezca la dosis haciendo doble clic en el campo Dosis. Bajo Haces, presione el signo verde más con una B para añadir un haz estático o el signo verde más con una A para añadir un arco. Establezca el peso del haz, el colimador y el ángulo del brazo para cada haz. Para añadir un haz para otro isocentro, seleccione ese isocentro bajo Objetivos para que se resalte en púrpura, y luego añada el haz.
   8. Bajo Dosis, seleccione el Motor de Dosis deseado (Superposición de Convolución o Monte Carlo). Seleccione Calcular Dosis.
   9. Seleccione Verificar. Seleccione Calcular Isodosis y Calcular DVH. Confirme que el plan y
      ​los DVH entreguen la dosis deseada a los objetivos y OAR (véase Figura 4).
   10. Abra la puerta del gabinete. Retire el filtro de aluminio e inserte el filtro de cobre. Inserte el colimador en el soporte y deslice la unidad de nuevo dentro de la cabeza del brazo. Baje la tapa de la ventana de TC y empuje hacia atrás hasta que encaje.
   11. Seleccione Ejecutar y Ejecutar Haz.
   12. Desde Software 1, una ventana emergente mostrará la posición de la camilla y del brazo objetivo. Asegúrese de que la rotación de la camilla esté en 0 para evitar colisiones y presione OK. Otra ventana mostrará el tamaño del colimador y el tipo de filtro. Presione OK, y el haz comenzará automáticamente.
   13. Observe la cámara web en Software 1 para asegurarse de que no haya colisiones.
   14. Si hay más de un haz, una vez que finalice la entrega del haz anterior, seleccione Ejecutar Haz y repita el paso 1.4.11.
   15. Abra la puerta del gabinete, retire al ratón actual de la camilla y devuélvalo a la jaula.
   16. Para continuar con el siguiente animal, repita los pasos 1.3 y 1.4.
5. Post-tratamiento (3 min)
   1. Una vez tratado el último animal, en el panel Control de Imagen y Robótica, establezca el ángulo del brazo en 90° y configure todos los demás campos de movimiento en 0. Seleccione Mover. Una vez finalizado el movimiento, cierre el software del Sistema 1. Cuando se le solicite devolver la plataforma a su origen, seleccione Sí.
   2. Retire la camilla, el colimador y el filtro del gabinete. Asegúrese de que la tapa de la ventana de TC esté cerrada y empujada hacia atrás a la posición de almacenamiento.
   3. Gire la llave del MP1 de nuevo a la posición 0 (9 en punto). Presione el botón rojo Detener en el Sistema 1.

2 Sistema 2

1. Calentamiento (35 min)
   1. Durante la instalación y puesta en marcha, el oficial de seguridad radiológica (RSO) de la institución debe realizar una encuesta de radiación para asegurarse de que la fuga de radiación fuera del gabinete esté por debajo del umbral de dosis-en-cualquier-una-hora y dosis-en-cualquier-una-semana. Antes de encender el sistema, el usuario debe seguir las instrucciones de seguridad radiológica proporcionadas por el RSO de la institución.
   2. Abra la puerta del gabinete y asegúrese de que no haya una camilla sobre la plataforma ni un colimador fijado a la cabeza del brazo giratorio.
   3. En la máquina Sistema 2, gire la llave para encender la energía del sistema, las luces y los láseres.
   4. Gire la llave para encender la energía de la consola.
   5. En la cabeza del brazo giratorio, abra el pestillo de la ranura del filtro e inserte el filtro de cobre de 0,3 mm o el de aluminio de 2 mm hasta que haga clic al encajarse (véase Figura 3).
   6. Abra Software 4 y la Cámara web.
   7. Seleccione Radiografía, No tratamiento y Iniciar calentamiento tanto para la radiografía primaria (20 min) como para la de microenfoque (15 min).
2. Tomografía computarizada de haz cónico para ratones (10 min, incluyendo anestesia)
   1. Coloque al ratón en un recinto para anestesiarlo según lo especificado en el protocolo de investigación aprobado.
   2. Abra la puerta del gabinete. Inserte el filtro de aluminio de 2 mm en la ranura del filtro si aún no está insertado.
   3. Fije la camilla a la plataforma presionando el pasador de liberación rápida y alineando el pasador con el orificio en el centro de la plataforma.
   4. Fije la cama a la camilla con cinta adhesiva. Fije el tubo de isoflurano a la cabeza de la cama con cinta adhesiva y encienda el gas.
   5. Coloque al ratón sobre la cama en posición prona o supina según el protocolo del experimento.
   6. Abra Software 5. En la categoría Entrega de radiación, seleccione Localización por TC con protocolo manual o de tratamiento.
   7. En la página de selección de animal, seleccione la carpeta del investigador principal y del estudio, y cree un nuevo archivo para el animal. Haga clic en Siguiente.
   8. En Configuración del animal, haga clic en Siguiente. Para el tipo de exploración preliminar, haga clic en Omitir.
   9. Seleccione el ajuste preestablecido según el tipo de tejido objetivo y haga clic en Siguiente. (por defecto 40 kV 2 mA 60 s para tejido blando).
   10. Verifique que el filtro adecuado para la calidad del haz planeado esté insertado y confirme que el estado del filtro mostrado sea verde.
   11. Seleccione Iniciar para comenzar la exploración de TC. El obturador se abrirá y cerrará automáticamente.
   12. Use la cámara web para asegurarse de que el brazo giratorio no colisione con la camilla ni con el animal mientras gira 360°. Si parece inminente una colisión, presione el botón rojo de parada de emergencia en la consola y el brazo giratorio se detendrá.
   13. Una vez completada la exploración de TC, haga clic en Siguiente. La TC adquirida aparecerá como tres paneles para vistas coronal, sagital y axial. Acérquese y desplácese por las rebanadas adquiridas en cada panel para ajustarlas según sea necesario.
   14. Use el ratón para arrastrar la cruz al isocentro objetivo. Seleccione Mover la plataforma. Si es necesario, seleccione Explorar de nuevo para verificar la posición del objetivo. Haga clic en Siguiente.
   15. En la página Exportar, haga clic en Ir para exportar el archivo DICOM.
   16. Si está creando un nuevo plan de tratamiento, continúe con el paso 4. Si está utilizando un plan existente o manual, continúe con el paso 5.
3. Planificación avanzada de tratamiento (10 min)
   1. Abra Software 6. Seleccione la carpeta que contiene los archivos DICOM y seleccione Importar datos seleccionados.
   2. Una vez cargado el DICOM, haga clic en la pestaña CT2MD.
   3. Deslice la barra de densidad hasta que el tejido del roedor sea visible.
   4. Haga clic en la pestaña Delineado. Para agregar contornos, seleccione Agregar. Asigne un nombre al contorno y especifique su tipo en el menú desplegable Tipo.
   5. Seleccione la herramienta deseada (pincel o línea) y seleccione Automático. Pinte o trace el contorno del órgano deseado. Use la barra de desplazamiento para moverse entre los fotogramas y continúe delineando el órgano. Delinear más fotogramas puede aumentar la precisión de la interpolación. Una vez delineado el último fotograma del órgano, seleccione Interpolar.
   6. Vuelva a recorrer los fotogramas para asegurarse de que la interpolación haya delineado el órgano como se esperaba y corrija cualquier fotograma que se haya desviado.
   7. Haga clic en la pestaña Planificación. Haga clic en Agregar para añadir un isocentro al plan. Alinee este isocentro con el objetivo deseado en los planos coronal y axial, e introduzca la dosis esperada (Gy) en el isocentro.
   8. Para añadir haces, seleccione Agregar en Haces. Elija entre estático y dinámico y ajuste los ángulos según desee. Si es necesario, elija un ángulo de camilla. Seleccione el colimador según los parámetros de planificación.
   9. En Cálculo, seleccione Iniciar cálculos. Aumentar el número de historias/área incrementará la precisión del algoritmo. Se pueden ajustar parámetros adicionales de Monte Carlo según desee; sin embargo, esto queda fuera del alcance del protocolo. Una vez completado, la pantalla mostrará Corte volumétrico. Seleccione las pestañas para mostrar el Histograma de volumen-dosis (DVH) y las Métricas de volumen-dosis (DVM) (véase Figura 5).
   10. Vuelva a Planificación para realizar cambios según sea necesario.
   11. En Evaluación, verifique el tiempo de emisión del haz, la dosis en el isocentro, el DVH y el DVM.
   12. Seleccione Exportar datos. Asigne un nombre al archivo y seleccione Exportar a archivo para generar un archivo .ini.
4. Tratamiento (10 min)
   1. Abra la puerta del gabinete, retire el filtro de aluminio de 2 mm e inserte el filtro de cobre de 0,3 mm y el colimador según el protocolo del experimento.
   2. Vuelva al Programa Sistema 2.
   3. Para un protocolo manual, en la pantalla del constructor de tratamiento, seleccione tamaño del punto (pequeño o grande), filtro (0,3 mm Cu), el potencial deseado (kVp), corriente (mA) y tiempo de tratamiento (s). Seleccione el tamaño y forma del colimador (circular, cuadrado, rectangular o motorizado). Seleccione el ángulo del brazo giratorio. Si lo desea, añada un haz opuesto paralelo.
   4. Para un protocolo de tratamiento, en la pestaña Selección de protocolo, haga clic en Cargar protocolo y seleccione el archivo .ini del paso 4. Verifique el nombre del plan y los parámetros seleccionando el cuadro Mostrar detalles del protocolo. Haga clic en Siguiente.
   5. Seleccione Iniciar tratamiento y luego seleccione Iniciar haz. Si hay más de un haz, una vez entregado el haz anterior, seleccione Iniciar haz para comenzar el siguiente. Observe la cámara web para asegurarse de que no haya colisiones.
   6. Abra la puerta del gabinete, retire al ratón actual de la cama y devuélvalo a su jaula.
   7. Para continuar con el siguiente animal, repita los pasos 2.2–2.4.
5. Post-tratamiento (3 min)
   1. Una vez tratado el último animal, retire la cama y la camilla de la plataforma. Retire el filtro y el colimador del brazo giratorio.
   2. Devuelva el brazo giratorio a 0° y la posición de la plataforma a (0 mm, 0 mm, 0 mm) usando Software 4. Cierre las puertas del gabinete. Cierre Software 5.
   3. Apague la llave de energía de la consola. En la máquina Sistema 2, gire primero la llave de las luces y los láseres, y luego gire la llave de energía del sistema a la posición de apagado.

Resultados

El tubo de rayos X del Sistema 1 puede generar entre 20 y 225 kVp con una tasa de dosis de 2,6 Gy/min a una profundidad de 1 cm en un fantoma de material equivalente al agua, con un campo de 10 × 10 mm² y una distancia fuente-superficie (SSD) de 33 cm. La capa semirreductora (HVL) del haz es de 0,73 mm de Cu a 220 kVp y de 2,15 mm de Al a 60 kVp¹⁵. Para la colimación, el Sistema 1 utiliza múltiples etapas de latón para reducir la penumbra. Se emplean dos bloques de latón deslizantes para bloquear la emisión mientras se genera y estabiliza la corriente. Se utilizan boquillas de colimación intercambiables para la irradiación. Los filtros son de 0,15 mm de cobre y 1 mm de aluminio.

Los sujetos tratados comúnmente incluyen ratones y ratas, y los sitios tratados comprenden el corazón, hígado, flanco, pulmón, páncreas, pata, cerebro y duodeno^16,17. Las dosis previas oscilan entre 0,2 y 60 Gy utilizando de 1 a 6 haces con una combinación de tipos de haces estáticos y en arco. Se muestra un ejemplo de un plan de tratamiento que prescribe 2 Gy a todo el cerebro de un ratón (ver Figura 4). El plan de tratamiento utiliza 1 haz con un ángulo de gántulo de 0° y un colimador de 10 × 10 mm². La médula espinal superior se delineó manualmente como un órgano de riesgo (OAR), y el DVH muestra que aproximadamente el 20 % del OAR recibe 0,5 Gy.

La puerta del gabinete del Sistema 1 incluye una ventana equivalente a plomo para la visualización. La distancia de la fuente al eje (SAD) del Sistema 1 es de 35 cm, y la distancia de la fuente al detector (SDD) es de 53 cm. Durante la adquisición de imágenes de CBCT, la camilla del Sistema 1 gira 360°. Esto genera una imagen de CBCT con una precisión de posicionamiento de aproximadamente 0,2 mm¹⁸. Después del tratamiento, el Sistema 1 genera un archivo de registro que informa la configuración del haz, incluyendo el número de haces, las posiciones de la camilla y del góndola, la SSD, el ponderado del haz y el tiempo de irradiación (véase Figura 6). También documenta las coordenadas del isocentro, la dosis prescrita, el identificador del plan y los metadatos relevantes del planificación, como los nombres de los contornos y los valores umbral de segmentación.

El tubo de rayos X System 2 puede generar de 10 a 225 kVp con una tasa de dosis de 2,7 Gy/min a una profundidad de 1 cm en un fantasma de material equivalente al agua, utilizando un campo de 10 × 10 mm² y una SSD de 29 cm. El HVL del haz es de 0,95 mm de Cu a 225 kVp y de 2,8 mm de Al a 100 kVp. Para la colimación, el System 2 consta de un colimador modular y un soporte de filtros acoplado al tubo de rayos X. Los colimadores contienen recortadores secundarios para reducir la penumbra, con conos compuestos de latón y plomo. Existe un espacio libre de 7 cm desde el colimador hasta el eje. Los filtros son de cobre de 0,3 mm y aluminio de 2 mm.

Los sujetos tratados comúnmente incluyen ratones y ratas, y los sitios tratados comprenden cabeza y cuello¹⁹, corazón, flanco, cerebro, páncreas, riñón y glándula salival. Las dosis previas oscilan entre 2 y 60 Gy con 1 a 2 haces y una combinación de tipos de haces estáticos y en arco. Se muestra un ejemplo de un plan de tratamiento que prescribe 2 Gy al cerebro completo de un ratón (véase Figura 5). El plan de tratamiento utiliza 2 haces en ángulos de gántulo de 90° y 270° con un colimador de 10 × 10 mm². La médula espinal superior se delineó manualmente como un órgano de riesgo (OAR), y el DVH muestra que aproximadamente el 20% del OAR recibe 0,5 Gy.

La distancia fuente-axis (SAD) del Sistema 2 es de 30 cm, y la distancia fuente-detector (SDD) es de 62 cm. Para el Sistema 2, el armazón y la ventana del TC rotan 360° alrededor de la camilla. Esto genera una imagen de CBCT con una precisión de registro de 0,2 mm según el fabricante. Después del tratamiento, el Sistema 2 genera un archivo de registro que informa parámetros de entrega, incluyendo el número de haces, ponderación de haces, tiempo de irradiación, ángulo del armazón y dirección de rotación, energía del haz (kVp), corriente del tubo (mA), tamaño del foco, posición de la mesa y material/espesor del filtro. También incluye el tipo de radiación y metadatos del planificación.

Figura 1: Configuraciones del sistema del Sistema 1 y el Sistema 2. Los paneles (A–C) muestran el Sistema 1, y los paneles (D–F) muestran el Sistema 2. (A,D) Vistas exteriores de cada plataforma con dimensiones anotadas (altura, anchura y profundidad). (B,E) La configuración interna durante la obtención de imágenes, incluyendo la rotación de la camilla (B) y la rotación del armazón (E). Se muestra un ratón anestesiado en el Sistema 1 (B), y un fantasma de ratón en el Sistema 2 (E). (C,F) La configuración interna durante la administración del tratamiento, destacando el montaje del tratamiento con el hardware de colimación colocado en cada sistema. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: El diagrama de flujo resume el flujo de trabajo experimental de principio a fin, agrupado en actividades previas al procedimiento, procedimientos dependientes de la máquina y evaluación posterior al procedimiento. Las flechas indican la secuencia procedural del flujo de trabajo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Materiales utilizados para la configuración del tratamiento. Los paneles (A–C) muestran los componentes del Sistema 1, y los paneles (D–F) muestran los componentes del Sistema 2. (A,D) Conjunto de colimadores en diversos tamaños y formas. (B,E) Camilla o lecho de soporte para animales utilizada para la posición en imagenología y tratamiento. (C,F) Filtros de Al y Cu. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Vistas de evaluación del plan del sistema 1. (A) Histograma dosis-volumen (DVH) para un plan de tratamiento de todo el cerebro. El objetivo (línea verde) es todo el cerebro, y el órgano de riesgo (OAR, línea amarilla) es la médula espinal superior. (B) Vista axial (transversal) de la distribución de dosis calculada superpuesta sobre el conjunto de imágenes. (C) Vista sagital de la distribución de dosis calculada. (D) Vista coronal de la distribución de dosis calculada. El cerebro está delineado en verde, y los bordes del haz están delineados en morado (B–D). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Vistas de evaluación del plan del sistema 2. (A) Histograma de dosis-volumen (DVH) para un plan de tratamiento de cerebro completo. El objetivo (línea roja) es el cerebro, y el órgano de riesgo (OAR) (línea blanca) es la parte superior de la médula espinal. (B) Vista axial de la dosis en el plano vertical × lateral. (C) Vista sagital de la dosis en el plano vertical × longitudinal. (D) Vista coronal de la dosis en el plano lateral × longitudinal. La trayectoria del haz se muestra en azul (B–D). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Registros de tratamiento para el Sistema 2 y el Sistema 1. (A) Registro del Sistema 1 que informa datos análogos sobre el tratamiento y la entrega del haz. (B) Registro del Sistema 2 que documenta los parámetros del tratamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1: Resumen de las especificaciones físicas y operativas clave para los sistemas Sistema 1 y Sistema 2.Haga clic aquí para descargar esta tabla.

Discusión

El campo de la radioterapia está evolucionando rápidamente, y aunque existen numerosos ensayos clínicos en curso, los experimentos preclínicos reproducibles y precisos son fundamentales para comprender los mecanismos radiobiológicos que producen el objetivo final deseado. Los métodos de irradiación de animales pequeños con fuentes fijas y la irradiación corporal total pueden provocar toxicidad no deseada²⁰. La aparición de irradiadores de animales pequeños guiados por imágenes permite un posicionamiento reproducible y dosis más bajas en órganos en riesgo (OAR). Esto simula parámetros similares a los tratamientos en pacientes y permite explorar mecanismos biológicos con un riesgo mucho menor de toxicidad y muerte animal antes de completar el régimen de tratamiento y alcanzar los puntos finales deseados. El uso de modelos de animales pequeños en estudios básicos y preclínicos se ha convertido en un modelo de investigación fundamental antes de la traslación clínica. Debido al pequeño campo de visión y al tamaño del detector, los sistemas irradiadores para animales pequeños pueden alcanzar una precisión espacial submilimétrica superior o equiparable a la de los aceleradores lineales terapéuticos²¹. Además, las máquinas de radioterapia en clínicas de oncología están reservadas para tratamientos de pacientes durante el horario laboral, lo que limita el tiempo disponible para estudios preclínicos con animales. En este contexto, los irradiadores de animales pequeños ofrecen a los investigadores una plataforma dedicada para realizar estudios radiobiológicos sin interrumpir el flujo de trabajo clínico.

Tanto el Sistema 1 como el Sistema 2 permiten la irradiación guiada por imágenes de animales pequeños con alta precisión y exactitud submilimétrica²². Aunque existen similitudes en el flujo de trabajo general de ambos sistemas, las diferencias clave entre ellos incluyen las técnicas de adquisición utilizadas para la TC de cono, la calidad del haz y la tasa de dosis.

En ambos sistemas, la adquisición de imágenes previa a la planificación se realiza utilizando un filtro de Al y sin hardware de colimación del haz, mientras que la administración del haz de tratamiento se lleva a cabo usando un filtro de Cu y a través de hardware especializado para conformar el haz. Por lo tanto, se debe tener precaución para asegurar que se utilice el hardware de colimación del haz y el filtro correctos para cada tarea. Los filtros del Sistema 2 están equipados con sensores integrados que se comunican con el software y muestran cuál está colocado. Esta característica no está presente en el Sistema 1, y no existe un sistema de interbloqueo para la irradiación si se inserta el filtro incorrecto.

Para la planificación del tratamiento, el software del Sistema 1 tiene la capacidad de utilizar un plan previo como plantilla y calcular nuevos tiempos de irradiación del haz basándose en la nueva tomografía computarizada adquirida. Esta función no está disponible en el Sistema 2, lo que requiere elaborar un nuevo plan para cada escáner o utilizar los parámetros de un plan anterior, necesitando así un equilibrio entre precisión y rendimiento. En ambos equipos, uno de los pasos con mayor incertidumbre es el delineado manual, el cual debe realizarse con precaución para garantizar la precisión espacial de la dosis en la región deseada. Los cálculos de dosis en la planificación del tratamiento suponen una consistencia del equipo, y para ambos sistemas deben realizarse procedimientos regulares de control de calidad para evaluar la consistencia del rendimiento. Si el rendimiento se ha desviado más allá de la tolerancia permitida, debe contactarse con la empresa proveedora para recalibrar según sea necesario. El control de calidad se lleva a cabo según las recomendaciones del fabricante y de la institución .

Para cada animal, los pasos manuales requeridos incluyen cambiar los filtros de aluminio y cobre entre la imagen y el tratamiento, agregar o cambiar el colimador, alinear al animal, irradiar y retirar al animal. Actualmente, no existe ningún informe sobre el uso de herramientas automatizadas en cualquiera de los sistemas para realizar estos pasos anteriormente mencionados. En el Sistema 1, también se debe abrir o cerrar el panel de CBCT y moverlo entre la imagen y el tratamiento. Como se mencionó anteriormente, si el protocolo permite un margen de precisión mayor, ciertos pasos pueden omitirse para aumentar la eficiencia. Si se utiliza un plan de tratamiento previo o genérico, puede omitirse la planificación del tratamiento. Para cualquiera de las máquinas, un operador es suficiente. Sin embargo, la eficiencia del flujo de trabajo puede aumentar con personal adicional. Por ejemplo, un usuario puede centrarse en controlar la máquina y cambiar el filtro y el colimador, mientras que el otro usuario supervisa la anestesia y cambia los sujetos.

Para ambas máquinas, un problema potencial es la posibilidad de colisión entre el gánder y la camilla, ya que una colisión puede afectar la alineación del isocentro y requiere una nueva comisión. Debido a esto, ambas máquinas están equipadas con una cámara que debe vigilarse siempre que el gánder esté en movimiento. Si el usuario sospecha que el gánder podría colisionar con la camilla, el operador debe presionar inmediatamente el botón de apagado de rayos X en el software de control. Si el sistema no responde, o si existe peligro para el operador o el sujeto, el operador debe presionar el botón físico rojo de parada de emergencia. Esto interrumpirá toda la energía del sistema. Luego, el usuario debe restablecer el botón y reiniciar el sistema. Dado que el sujeto fue irradiado parcialmente, el operador debe consultar con el investigador principal para determinar el mejor curso de acción para el sujeto.

Otro problema potencial es una irradiación incorrecta si se inserta un filtro o colimador equivocado. Aunque idealmente esto se evita verificando la configuración antes de la irradiación de cada sujeto, dado que la colocación del filtro y el colimador son pasos manuales y deben realizarse entre la adquisición de imágenes y el tratamiento, es posible que ocurra una irradiación incorrecta. El número del sujeto debe anotarse y reportarse al investigador principal para su monitoreo. Un último problema común es que una estructura de riesgo (OAR) reciba una dosis demasiado alta durante la planificación del tratamiento. De manera similar a los planes clínicos, deben realizarse modificaciones en los parámetros del haz, incluyendo la adición de haces adicionales en ángulos diferentes o cambiando a un plan dinámico. También puede ajustarse la posición del sujeto sobre la camilla.

Ambos sistemas tienen una resolución de imagen CBCT comparable y la capacidad para imágenes de micro-TC, fluoroscopia e imagen de bioluminiscencia, que no se trataron en este protocolo. El sistema 1 cuenta con un colimador variable motorizado, un sistema de colimación especializado que permite irradiación conformal y no coplanaria, mientras que el sistema 2 tiene un colimador ajustable automatizado que crea campos rectangulares rotatorios. Para la planificación del tratamiento, el sistema 1 puede utilizarse con el software 3, SmART-XPS o micro-Raystation. El sistema 2 es compatible con el software 6 o micro-Raystation.

El protocolo descrito aquí es muy adecuado para investigaciones radiobiológicas sistemáticas con sistemas de irradiación para animales pequeños a tasas de dosis convencionales y campos espacialmente uniformes. Este protocolo no abarca la terapia de radiación fraccionada espacialmente (SFRT) ni la radioterapia a tasa de dosis ultraelevada (UHDR), ya que estos dos equipos no están diseñados para tales estudios²³. La empresa proveedora del Sistema 1 ha desarrollado una plataforma preclínica dedicada para investigación FLASH, con trabajos en curso para validar el sistema en estudios UHDR²⁴. La empresa proveedora del Sistema 2 también ha desarrollado un nuevo sistema de cabina para la administración convencional y UHDR. Algunos autores han trabajado en la construcción de colimadores novedosos para SFRT y en modificar la distancia fuente-superficie (SSD) para aumentar la tasa de dosis^25,26,27. Las aplicaciones futuras en los sistemas actuales incluyen evaluar las capacidades máximas de tasa de dosis a distancias SSD reducidas y comparaciones dosimétricas entre los dos equipos utilizando el mismo plan de tratamiento. Trabajos posteriores podrían incluir también evaluar las limitaciones físicas del sistema en otros modelos de animales pequeños, como conejos.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
MuriPlan v3.0.0	Software 3	Xstrahl	MuriPlan
MuriSlice v3.2.6	Software 2	Xstrahl	MuriSlice
PilotXRadConsole v1.30.3.5	Software 4	Precision X-Ray	PilotXRadConsole
SARRP Control Software v4.3.1	Software 1	Xstrahl	SARRP CS
Plataforma de Investigación con Radiación para Animales Pequeños	Sistema 1	Xstrahl	SARRP
Sistemas de Radioterapia para Animales Pequeños	Sistema 2	Precision X-Ray	SmART+
SmART+ v1.30.3.5	Software 5	Precision X-Ray	SmART+
SmART-Planificación Avanzada de Tratamiento v24.1.3.240826	Software 6	Precision X-Ray	SmART-ATP