Summary
В прошлом мелких животных облучения был обычно выполняется без способности целевой тома четко разграничить опухоли. Цель заключалась в том, чтобы имитировать лечение глиобластомы человека в крыс. С помощью небольших животных облучения платформы, мы провели МРТ руководствуясь 3D конформное облучения с на основе ПЭТ суб объем повышение в доклинических условиях.
Abstract
На протяжении десятилетий мелких животных излучения исследование проводилось главным образом с использованием довольно сырой экспериментальных установок, применяя простые методы однолучевой без возможности целевого тома конкретных или четко разграничить опухоли. Доставки излучения была достигнута с помощью стационарных радиационных источников или линейные ускорители производства мегавольтных (MV) рентген. Эти устройства способны достичь суб миллиметровой точностью необходимых для мелких животных. Кроме того высокие дозы доставлены здоровыми окружающие ткани препятствуют ответ оценки. Для увеличения перевод между небольших исследований на животных и людей, нашей целью было имитировать лечения глиобластома человека в мышиной модели. Чтобы включить более точные облучение в условиях доклинические, недавно, точность изображения руководствуясь мелких животных излучения исследовательских платформ были разработаны. Подобно человеческой системы планирования, планирования на эти микро Облучатели лечения основан на компьютерная томография (КТ). Однако низкий контраст мягких тканей на КТ делает его очень сложным для локализации целей в некоторых тканях, таких как мозг. Таким образом включение магнитно-резонансная томография (МРТ), который имеет отличные мягких контрастом по сравнению с КТ, позволило бы более точного разграничения мишенью для облучения. В последние десятилетия также биологические методы обработки изображений, например позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) получил интерес для радиационной терапии лечение руководства. PET позволяет визуализацию например, потребление глюкозы, транспорт аминокислот или гипоксии, присутствующих в опухоли. Ориентация высокой пролиферативной или радио устойчивостью части опухоли с более высокие дозы может дать преимущество выживания. Эта гипотеза привело к введению биологических опухоли тома (BTV), помимо обычных брутто тома (GTV), клинической целевой тома (CTV) и запланированных целевой тома (ПТВ).
В доклинических изображений лаборатории Университета Гента микро облучатель, мелких животных PET и 7 T зверька МРТ доступны. Целью было включить МРТ руководствуясь облучения и ПЭТ руководствуясь суб объем повышение в мышиной модели глиобластомы.
Introduction
Полноценное глиомы является наиболее распространенным и наиболее агрессивных злокачественной опухоли головного мозга у взрослых с медиана выживаемости 1 год несмотря на текущих методов лечения. Стандарт медицинской помощи включает в себя максимальную хирургическая резекция, следуют комбинированных внешний пучка излучения терапии (RT) и Темозоламид (ТМЗ), следуют обслуживания TMZ1,2,3. С момента введения TMZ сейчас более чем 15 лет назад никаких существенных улучшений были сделаны в лечении этих опухолей. Таким образом осуществление новых терапевтических стратегий срочной, но сначала должны быть исследованы в небольших животных рака терапии модели (основном мышей и крыс). Опухоль подшипник грызунов модели могут использоваться для изучения эффективности новых и сложных излучения протоколов, возможно, в сочетании с другими агентами (новый) лечение, оценить ответ излучения или расследовать радио защитных агентов. Основным преимуществом исследований доклинических излучения является способность работать в контролируемых экспериментальных условиях, используя большой когорты, что приводит к ускоренному данных урожайности благодаря короче продолжительности грызунов. Доклинические результаты затем должны быть переведены на клинических испытаний в гораздо быстрее и более эффективным способом, чем в текущей практике4.
Обычно малые животные излучения экспериментов в течение последних десятилетий были достигнуты с помощью стационарных радиационных источников5,6,7, например, 137Cs и 60Co, изотопы, или линейные Ускорители предназначен для человека клинического использования, применение единого излучения поле с рентген МВ6,8,9,10,11. Однако эти устройства не достигают суб миллиметровой точностью, которая требуется для мелких животных12. Кроме того MV рентгеновские лучи имеют характеристики неподобающе для облучения мелких целей, такие, как наращивание дозы на интерфейсе воздуха ткани в регионе вход луча с такой степени порядке животное размер самого4,6 ,8,9,10,11. Последний делает его довольно сложно доставить опухоль единой дозы при щадящие, окружающий нормальный мозг ткани4,8,9,10,11. Таким образом неясно, в какой степени текущие исследования животных по-прежнему актуальны для современных RT практика12. В этой связи недавно разработанных трехмерные (3D) конформное мелких животных микро Облучатели являются многообещающими для преодоления технологического разрыва между передовых 3D изображения руководствуясь RT методы, такие как модуляции интенсивности лучевой терапии (IMRT) или конформное дуги используются в организме человека и текущих мелких животных облучения4,13. Эти платформы сделать использование kilovoltage (кв) рентгеновского источника для получения острых penumbras и избежать накопления дозы. Эти платформы включают в себя управляемые компьютером этап для животных, позиционирование, кв источник рентгеновского излучения для визуализации и лучевая терапия, ротации гантри Ассамблею позволить доставки излучения от различных углов и систему коллиматорный для формирования пучка излучения 4. в 2011 году, был установлен микро облучатель в доклинических изображений лаборатории Университета Гента (рис. 1). Эта система похожа на практике современного человека радиотерапии и включает широкий спектр доклинических экспериментов, например взаимодействия излучения с другими терапии, сложной радиационной схемы и руководствоваться изображения суб целевой импульс исследования.
Планирование на эти микро Облучатели лечение основано на КТ, что эквивалентно человека планирования систем14,15. Для КТ, встроенный детектор рентгеновского излучения используется в сочетании с же кв Рентгеновская трубка, которая используется во время лечения. КТ изображения используется как она позволяет для точного позиционирования животных и предоставляет необходимую информацию для вычисления дозы индивидуального облучения через сегментации. Однако из-за низкой контрастности мягких тканей в КТ изображений, опухоли в головном мозге мелких животных, таких как полноценного глиомы, нельзя разделенное легко. Включение изображений мульти-модальности поэтому необходим для делимитации точной целевой тома. По сравнению с КТ, МРТ обеспечивает значительно улучшенный контраст мягких тканей. Это делает его гораздо легче визуализировать границы поражения, что приведет к гораздо лучше разграничения тома, помогая лучше облучить поражения и избежать окружающие ткани, как показано в , Рисунок 24 16. Дополнительным преимуществом является, что МРТ использует неионизирующего излучения, в отличие от CT, который использует ионизирующего излучения. Основные недостатки МРТ являются относительно длительного приобретение раз и высокие эксплуатационные расходы. Важно отметить, что МРТ не может использоваться для расчетов дозы, поскольку они не обеспечивают необходимые электрона плотность информации, хотя достигнут прогресс в этой области, тоже с недавним развитием MR-LINACS. Таким образом набор комбинированных CT/МРТ является методом выбора для планирования облучения Злокачественная Глиома, содержащий информацию, необходимую для ориентации (МРТ основе томов) и дозы вычислений (CT-основе электронной плотности).
Чтобы уменьшить разрыв между мелких животных облучения и повседневной клинической практике, МРТ явно необходимо быть интегрированы в рабочий поток микро облучатель, требует правильной регистрации между МРТ и КТ, которые далеко не тривиальная. В этом документе, наш протокол для МРТ руководствуясь 3D конформное облучения F98 обсуждается глиобластома крыс, который был недавно опубликован17.
Хотя включение КТ и МРТ в рабочем процессе микро облучатель ясно шаг вперед в небольших животных облучения исследований, эти анатомические методы визуализации не всегда позволяют полное определение целевого тома. Патологические изменения в мозге на КТ и МРТ характеризуются повышенной содержание воды (отек) и утечки blood - brain барьер или повышение контрастности. Однако повышение контрастности и гипер интенсивный областям на Т2 взвешенных МРТ являются не всегда точное измерение степени опухоли.Опухолевые клетки были обнаружены далеко за пределы поля контрастности12. Кроме того ни один из этих методов можно определить наиболее агрессивных частей в пределах опухоли, которые могут быть ответственны за терапевтических сопротивления и рецидива опухоли. Таким образом дополнительную информацию от молекулярные методы визуализации, как PET могут иметь дополнительную ценность для RT целевой определение объема, потому что эти методы позволяют визуализировать биологические пути в vivo12,18, 19.
В 2000 году Лин et al. концепцию биологических целевого тома (BTV) путем интеграции рабочего процесса радиотерапии, приводит к то, что они называли многомерные конформной лучевой20анатомические и функциональные изображений. Это создает возможность для повышения дозы ориентации, обеспечивая неоднородной дозы для целевого региона, например с помощью PET изображений. Наиболее широко используемый PET трассирующими стадирования опухоли и для мониторинга лечения ответ плавиково-18 (18F) помечены fluorodeoxyglucose (ФДГ), который визуализирует метаболизма глюкозы21. В головы и шеи рак предыдущие исследования показали, что использование 18F-ФДГ-ПЭТ привело к лучше оценить объем фактической опухоли, как определено патологических образцов, по сравнению с КТ и МРТ-22. В мозге первичной опухоли, где FDG полезен не из-за очень сильный фон сигнала от нормального мозга, аминокислоты, такие как 11C-метионина и совсем недавно 18F-fluoroetthyltyrosine (ФЕТ), были расследованы для GTV разграничение с часто заметные различия между аминокислота PET и МРТ основе GTVs23. Однако еще не была выполнена не проспективное исследование, исследование смысл этот вывод. В этом исследовании мы выбрали аминокислота трассирующими 18F-ФЕТ и гипоксии трассирующими 18F-fluoroazomycin арабинозид (18F-фаза). 18 F-ФЕТ и 18F-FAZA были отобраны, поскольку увеличение поглощения аминокислота сильно коррелирует с уровень распространения в ГБ опухоли, тогда как поглощение гипоксии ПЭТ трассирующими соотносится с сопротивление радиотерапии (химиотерапия)18 , 23. суб объем стимулирование с помощью микро облучатель был оптимизирован, давая дозы дополнительного облучения для ПЭТ определенных частью F98 ГБ опухоли у крыс.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Исследования был одобрен Комитетом по этике для экспериментов на животных (ECD 09/23 и ECD 12/28). Все коммерческие детали можно найти в Таблице материалов.
1. F98 ГБ крыса ячеечная модель
- Культура клеток F98 ГБ, полученных от ATCC, в монослои, используя Дульбекко изменение средних орла, 10% телячьей сыворотки, 1% пенициллин, стрептомицина 1%, 1% L-глютамина и 0.1% Амфотерицин b и место в инкубатор CO2 (5% CO2 и 37 ° C).
- Прививать глиомы клеток в головном мозге Фишер F344 самок (тела вес 170 г).
- Используйте стерильные инструменты и стерильных перчатках во все времена.
- Анестезировать крыс путем инъекций инсулина шприцом (1 мл, 29 G) смесь кетамин 74 мг/кг и intrapertioneally Ксилазина 11 мг/кг (IP). Подтвердите анестезии, отсутствие ответа на рефлекс вывод конечности. Иммобилизации крыс в стереотаксической устройства, с помощью точек фиксации для носа и ушей. Место карбомер глаз гель для предотвращения сухости глаз под наркозом.
- Брить крысы от уровня глаз до задней части черепа и дезинфекции кожи с повидон йод.
- Разоблачить черепа через разрез средней линии головы 2 см и сделать боковой bregma в правой лобной полушарии 1 мм отверстие (алмазного сверления) задняя 2 мм и 2,5 мм.
- Вставьте иглу вентрикуло гидом инсулина (29 G) и придать 5 мкл суспензии клеток (20,000 ГБ F98 клетки) 3 мм с помощью контроллера насоса microsyringe (параметры: придать (I50), стоимость 1 nL/s (001 SDN)).
- Медленно снять шприц и закрыть разрез кости воском. Шовные кожи и продезинфицируйте повидон-йод.
- Стабилизируйте температуру тела животных после операции, используя красный фонарь. Контролировать пробуждение крыс, до тех пор, пока он сознание достаточно для поддержания грудной recumbency. Не вернуть животное компании других животных до тех пор, пока полностью выздоровел. Держите все животные экологически контролируемых условиях (12 h нормальный свет/темно циклы, 20-24 ° C и относительной влажности 40-70%) с ad libitumпищи и воды. Убедитесь в том, чтобы внимательно следить за животных путем наблюдения за их веса тела, питание, потребление воды и их деятельность и нормальное поведение. Используют летальная доза Пентобарбитал натрия чтобы усыпить животных (160 мг/кг), если наблюдается снижение 20% веса или когда нормальное поведение сильно ухудшается (например, отсутствие ухода).
2. подтверждение роста опухоли
Примечание: Оценки опухоли роста 8 дней после вакцинации с использованием МРТ T2-взвешенный, динамический контраст расширение МРТ (DCE-МРТ) и повысить контраст МРТ T1-взвешенный. Когда опухоль достигает размера 2,5 x 2,5 x 2,5 мм3, выберите крысы для терапии.
- Во-первых Подключите иглой 30 G до 60 см длиной трубки, который помещается внутривенно в духе боковой хвост. Анестезировать крыс через носовой конус с 2% изофлюрановая смешивается с кислородом (0,3 Л/мин). Подтвердите анестезии, когда крысы не реагировать рефлекс вывод конечности. Обложка крыс с подогревом одеяло и поместите их в постели МРТ. Используйте гель для глаз карбомер для предотвращения сухости.
- Расположить кровать в держателе с катушкой поверхности мозга фиксированной крыс и расположить кровать в катушки передатчика тело крысы 72 мм.
- Выполните проверку локализатор, следуют T2-взвешенный спин эхо сканирования для оценки роста опухоли. T2-МРТ последовательности детали: TR/TE 3661/37,1 ms, 109 мкм изотропной в плоскости резолюции, ломтик толщина 600 мкм, 4 средние, TA 9 мин 45 s.
- Если опухоль подтверждается на Т2 взвешенных приобретения, внедрить гадолиний содержащие контрастного вещества в внутривенно помещены трубы (МРТ контрастного вещества; 0,4 мл/кг) 30 секунд после начала приобретения DCE-МРТ. Приобрести DCE-МРТ в течение 12 минут, используя быстро низкий угол выстрела (FLASH) последовательности в один срез (толщина среза 1 мм). Пространственное разрешение в плоскости (312 мкм2) и временным разрешением 1,34 s.
- Используя средство анализа последовательности изображений, выберите регион интерес (ROI) в регионе подозреваемых опухоли для печати интенсивности сигнала с течением времени. Впоследствии анализируйте форму результирующей кривой DCE для подтверждения наличия глиобластома (рис. 3).
- Наконец приобретают последовательность контраст расширение T1-взвешенный спин эхо. T1-МРТ последовательности детали: TR/TE 1539/9,7 ms, 117 мкм изотропной в плоскости резолюция, ломтик толщина 600 мкм, 3 средние, TA 4 мин 15 s. типичный контраст расширение T1-взвешенный изображения МРТ показаны на рисунке 2.
- После завершения последовательности T1-взвешенный, животное может разбудить под постоянным контролем, до тех пор, пока он восстанавливает полное сознание.
3. мультимодальность изображений для выбора целевой тома
Примечание: Чтобы иметь возможность выполнить МРТ руководствуясь 3D конформное облучения крысы F98 ГБ модель с ПЭТ руководствуясь суб объем повышение, 3 изображений условия необходимо выполнить. Во-первых, придать радиоиндикаторных, а затем выполнить МРТ во время трассирующими поглощения, впоследствии выполнять статический PET приобретение и планирования CT. лечения
- Анестезировать животных, с использованием носовой конус с 2% изофлюрановая смешивается с кислородом (0,3 Л/мин). Подтвердите анестезии, когда крысы не реагировать рефлекс вывод конечности. Используйте гель для глаз карбомер для предотвращения сухости под наркозом.
- Вставить катетер (26 G) в Вену хвост, позволяя инъекции 37 MBq PET радиоактивных трассирующими растворяют в 200 мкл физиологического раствора. Придать 18F-FET или 18F-FAZA, 30 минут или 2 ч перед PET приобретение, соответственно.
- Вводить внутривенно МРТ контрастного вещества (0,4 мл/кг) в духе хвост с помощью катетера 15 мин до PET приобретение.
- Место крыс на доме сделал мультимодальность постели и обеспечить с помощью крюк и петля крепления, поддержание фиксированной позиции во время визуализации и микро облучения (рис. 1).
- Исправьте три мультимодальность маркеры (капилляров с водой), под, выше и на правой стороне черепа. Место крыса, по-прежнему фиксированный на мультимодальность кровати, в держателе животных томографа, исправить катушки поверхности мозга крысы и позиции этой структуры в катушки передатчика всего тела крыса 72 мм. Выполните проверку локализатор, контраст расширение T1-взвешенный спин эхо последовательность.
- Транспорт животных для выполнения 18F-FET или 18F-FAZA PET приобретение. Приобрести 30 мин статические ПЭТ-сканирование в режиме списка. Проверки должны быть приобретены либо 30 мин после инъекции 18F-FET или 2 ч после инъекции 18F-фаза.
4. RT планирование лечения
- Используйте предварительно клинического лечения, планирования системы (PCTPS) для планирования лечения. Импортировать планирования CT в PCTPS и вручную сегмент эту CT изображения на три различных тканей класса: кости, мягкие ткани и воздуха. Это ручная сегментация основана на определении три разные пороги серо значение планирования CT. Эти вручную выбранных порогов серо значение должна выбираться таким образом, чтобы воздух в мозге отсутствует и что толщина костей черепа не равен нулю. После определения этих порогов, материала плотностью назначаются PCTPS кости, мягкие ткани и воздуха (рис. 4).
- Если руководство МРТ необходима, только загрузить МРТ и совместного регистра с планирования CT, используя PCTPS.
- Использование преобразования твердого тела (три переводы и трех ротаций), мультимодальность маркеров и черепа. Наложение интенсивности увеличение сигнала черепа на КТ с черным сигнал на МРТ, точное сочетание может быть достигнуто (рис. 5).
- Выберите целевой для облучения в центре повышения контрастности опухоли на Т1 взвешенных МРТ, см. рис. 6 и 7 цифра.
- Когда дополнительные PET информация должна быть включена, включают CT/МРТ/PET совместного регистрации с использованием биомедицинских изображений программное обеспечение количественной оценки (BIQS).
- Используйте средство Контурная в BIQS для достижения PET/МРТ изображения Фьюжн (рис. 8). После совместного регистрации, выберите целевой объект в центре увеличение поглощения трассирующими PET в BIQS (рис. 9) и вручную ввести координаты в PCTPS, используя следующие преобразования: X → -X, Y → Z и Z → -Y.
- Выберите предписанную дозу, количество дуг, дуги позицию, диапазон поворота дуги и размер коллиматор (Рисунок 10).
- Для МРТ руководствуясь RT, используйте следующие параметры: предписанные дозы 20 гр, 3 дуги, дислоцированные в диване углы-45 °, 0 ° и 45 ° с поворотами дуги 120 ° и коллиматорные размером 5 x 5 мм.
- Для ПЭТ-МРТ руководствуясь RT, используйте следующие параметры: предписанные дозы 20 гр, с использованием 3 дуги и 5 x 5 мм коллиматора и дополнительные 5 гр для суб объем повышения с помощью 3 номера компланарных дуг и коллиматора 1 x 1 мм. Выберите поворот 120 ° для всех дуги при изменении позиции диване (-45 °, 0 ° и 45 °).
- Рассчитайте распределение дозы в животное и параметры доставки луча доставить предписанную дозу в целевой объект, с помощью PCTPS. Перед фактическим облучения испытания дуги вращений в позициях различных диване для предотвращения каких-либо столкновений во время облучения.
- Для фактической облучения, выберите фильтр 0,15 мм медь, установите рентгеновского напряжение до 220 кв, установить рентгеновский снимок текущего 13 мА, и положение правой коллиматор на портале. Выполнение RT путем передачи параметров доставки соответствующий луч из PCTPS микро облучатель.
- В ходе этих процедур, крыса ведется непрерывное изофлюрановая анестезии (2% изофлюрановая, смешивается с кислородом 0,3 Л/мин). После выполнения последнего дуги животное может проснуться под постоянным контролем, до тех пор, пока он восстанавливает полное сознание.
5. доза объем гистограммы (DVHs)
Примечание: Для сравнения фактических дозы, доставляется опухоли целевого тома и окружающие нормальной ткани мозга, вычислить DVHs.
- Нарисуйте объем интересов (VOI) вокруг опухоли и нормальный мозг на Т1 взвешенных повышенной контрастности изображения МРТ для вычисления среднего, минимального и максимального дозы (Рисунок 11).
- Как суррогат для максимальное, среднее и минимальной дозы, чтобы объем опухоли и объем тканей нормальный мозг вычислить D2,50D и D90. D стойки для дозы, полученной на x % от объема, обозначаются подстрочным и могут быть получены от результате DVH.
6. ТМЗ и Шам химиотерапии
- Чтобы имитировать лечения глиобластома больных, администрировать сочетанной химиотерапия с использованием IP инъекции 29 мг/кг TMZ растворяют в солевой раствор с 25% диметилсульфоксид (ДМСО) один раз в день в течение 5 дней, начиная день облучения24, 25. Использование 1 мл, 29 G инсулина шприц для администрирования инъекции.
- Для группы управления администрирования инъекции из шага 6.1 без TMZ.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Чтобы имитировать человека лечение методологии для облучения глиобластомы в доклинических модели, необходимо включение МРТ руководствуясь радиотерапии. Использование PCTPS и интерфейс микро облучатель, мы смогли облучить F98 глиобластома крыс с несколько конформное не компланарных дуг, таргетинг повысить контраст регион на Т1 взвешенных МРТ17. Грузовик орган преобразований в сочетании с кроватью мульти-модальности использовались для регистрации изображений между планирования КТ и МРТ Изоцентр для облучения был выбран в центре региона повысить контраст опухоли на Т1 взвешенных МРТ (рис. 7).
Доза распределений и совокупное DVHs среднее, минимальное и максимальное дозы целевого тома и тома ткани нормального мозга были рассчитаны для пяти различных животных (Рисунок 12). Основываясь на сходство с протокол клинических облучения и распределение оптимальной дозы, дозу план, с помощью трех не компланарных дуг был выбран. Применение последнего, 90% от целевого объема получил желаемой дозы, при сведении к минимуму дозу до нормального мозга ткани17.
После подтверждения возможности МРТ руководствуясь облучения F98 крыса глиобластома модели, мы пытались включить на основе ПЭТ суб объем повышения в доклинических рабочий процесс для планирования RT. Мы смогли объединить 3 визуализации формы, выполнение сначала МРТ, то животное, и наконец CT во время крыса фиксируется на доме сделал мультимодальность кровати (рис. 1). Для совместного регистрации этих механизмов мы использовали BIQS, позволяя намного больше инструментов для жесткой соответствия (рис. 8). Применение простой преобразования, как MR и PET на основе изоцентр (рис. 9) могут быть переданы PCTPS. На рисунке 13отображаются как МРТ, так и на основе ПЭТ изоцентр для облучения после расчета дозы в PCTPS. Чтобы облучить всего тома для повышения контраста мы выбрали 5 x 5 коллиматора и три дуги вращающейся 120 °. Для стимулирования наиболее метаболически Активные опухоли определены 18F-FET PET или части наиболее гипоксии опухоли определены 18F-FAZA PET, дозы 5 гр был выбран и доставлены с помощью коллиматора диаметром 1 мм. Опять же применяются 3 дуги, вращающихся 120 °.
Рисунок 1: микро облучатель интеграции кв рентгеновской трубки, вращающегося козловые, управляемая компьютером роботизированной стадии, коллиматорный форма пучка и система детектор CT плоских. Животное помещается на 4 мм толщиной ПВХ мультимодальность кровать для предотвращения перемещения между несколькими изображений приобретений, таких как МРТ, следуют планирование CT, который облегчает слияние изображений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: подтверждение глиобластома. T1-взвешенный МРТ, T2-взвешенный МРТ и DCE-МРТ F98 ГБ крысы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: кривая DCE. Используя средство анализа последовательности изображений, рентабельность может быть выбран на DCE-МРТ сканирование для печати интенсивности сигнала с течением времени. Впоследствии анализ формы результирующая кривая DCE возможность подтвердить наличие глиобластомы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4: CT сегментации. Сегментация, основанные на КТ осуществляется вручную определения ряда пороговых значений точно отличить воздуха от легочной ткани, жировой ткани, кости и другие ткани в пределах изображения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: МРТ-CT фьюжн. Наложение интенсивности увеличение сигнала черепа на КТ с черным сигнал на МРТ, точное сочетание может быть достигнуто. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6: конус луч КТ Не опухоль видна на КТ, что делает невозможным для выбора изоцентр в центр опухоли. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 7: повысить контраст МРТ T1-взвешенный. Контраст расширение T1-взвешенный МРТ четко визуализирует опухоль мозга F98 крыса. Качестве изоцентр для планирования RT выбран центр повышение контрастности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 8: МРТ-PET фьюжн. Используя средство Контурная в BIQS, достигается слияние изображений ПЭТ/МРТ.Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 9: выбор цели МРТ-PET. Мишенью для облучения выбрана в центре контрастности на Т1 взвешенных МРТ (слева). Цели для стимулирования суб тома выбран в центре увеличение сигнала на 18F-FET PET (справа). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 10: планирование радиотерапии. Чтобы вычислить планирование радиотерапии, выберите изоцентр, предписанные дозы, количество дуг, дуги позицию, диапазон поворота дуги и размер коллиматор. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 11: расчет DVH. Нарисуйте объем интересов (VOI) вокруг опухоли на Т1 взвешенных повышенной контрастности изображения МРТ для вычисления DVH внутри этого тома. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 12: доза плана с помощью повысить контраст МРТ T1-взвешенный и три не компланарных arcsto доставить целевой том 20 гр. Справа приводится совокупный гистограммы объем дозы (DVH) объем опухоли и нормальной ткани мозга, разделенное на контраст расширение T1-взвешенный МРТ. Этот показатель был изменен с Bolcaen и др. 20 пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 13: МРТ и ПЭТ руководствуясь изоцентр для облучения. КТ изображение в представлении аксиальная, фронтальная и сагиттальная плоскости визуализируется с планом дозы, оказания целевой (желтый региона) 20 гр. Изоцентр, который был определен на контраст расширение МРТ является видимым (зеленый) и изоцентр, локализуются на части метаболически Активные опухоли, выявленных на 18F-FET ПЭТ также видимых (красных). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Для достижения точного облучения глиобластома целевого опухоли в головном мозге крысы, микро облучатель бортовой CT руководство не было достаточно. Опухоли головного мозга едва заметны из-за недостаточной мягких тканей контраст, даже если будет использоваться контрастности. Таким образом МРТ должен быть включен чтобы позволить более точно облучения. С помощью последовательного приобретения MR на 7 Т системы и приобретение CT на микро облучатель, которую мы смогли целевой дозы для повышения контраста опухолевой ткани головного мозга и рассчитать дозу план с помощью планирования CT. Это стало возможным после изображения фьюжн и дозы вычисления с использованием PCTPS17. Однако следует иметь в виду, что МРТ подвержен геометрических искажений, которые не исправляются в настоящем Протоколе. Кроме того прежде чем переводить этот протокол облучения для других частей тела, дальнейшие исследования необходим. Следует рассмотреть важность точной ткани сегментации за счет использования нижней кв энергия фотонов. Хотя сегментации на три класса ткани может быть достаточно в мозге крыс, больше ткани классы должны быть указаны в регионе грудной клетки или брюшной крыс для предоставления точной дозы расчеты. Чтобы избежать движения во время транспортировки между различных систем тепловидения, мы сделали использовать мультимодальность кровати, которая сводит к минимуму движения головы (рис. 1). Однако дополнительные усилия необходимо при применении этот протокол для других частей тела, грудной клетки или брюшной регионов. Особенно малые животные облучения органов под влиянием дыхательные движения или кишечного транзита по-прежнему сложно.
Также показано, что включение ПЭТ руководствуясь суб объем повышение возможно, несмотря на трудоемких протокол. Преимуществом ядерных методы обработки изображений, таких как PET, является способность изображения гетерогенность в опухоли, которая позволяет ориентация метаболически весьма активной или радиационно стойкие части опухоли. Мы смогли увеличить дозу, специально ориентированных на наиболее биологически активной или наиболее гипоксических региона опухоли с помощью 18F-FET PET или 18F-FAZA PET, соответственно. Важным шагом в протоколе является изображение ко-регистрация. В настоящее время не программное обеспечение имеет возможность автоматически совместно регистрировать доклинические МРТ или КТ с PET изображений с достаточно высокой точностью и воспроизводимостью. Как правило PET Трейсеры в нейро онкологии показывают низкое поглощение в нормальный мозг, что затрудняет процесс регистрации. Для слияния трех изображений форм (CT/МРТ/PET) мы предпочли BIQS, вместо того, чтобы PCTPS, который разрабатывается в настоящее время не легко объединить несколько методов обработки изображений. Кроме того BIQS имеет более умные инструменты для соответствия жестким. Основных помощь является также использование кровать multi-модальности, предотвращение движения животного между различных изображений приобретений. Однако, Сопредседатель регистрация вручную занимает много времени и увеличивает время анестезии животных. После регистрации изображения, экспорт координат из BIQS в PCTPS стало возможным путем применения простой трансформации координат цели.
Это важно не только для более точного объема (биологических) опухоли: щадящие окружающих тканей нормальный мозг должен приниматься во внимание также. Последний является часто пренебрегают в текущем экспериментов животных радиотерапии, но очень важно сделать модель также клинически значимых. Это было достигнуто путем применения нескольких не компланарных дуг. Насколько нам известно несколько дуги черепной облучения в малых животных никогда не применялась до. Относительно использования луч эта методика находится в близко сходство с клинических изображений руководствуясь конформное RT и за счет использования дуга лечению цель в конечном итоге получает предписанную дозу, а нормальных тканей получают только часть его. Таким образом первый шаг сделан для сведения к минимуму разрыв между доклинической и клинической технологии RT17. Этот микро облучатель ограничены что ротации гантри ограничивается 120 °. Сочетая ротаций дуги с изменением в диване позиции более щадящие нормальной ткани мозга окружающих опухоль цели.
Эта методология является важным шагом на пути включения механизмов биологического изображений для радиотерапии руководства. Однако новые разработки необходимы упростить доклинические изображения фьюжн и включать дозы картина по номерам (DPBN) в доклинических приложениях. С помощью текущего микро облучатель, теперь мы можем применять повышение суб тома; Однако DPBN пока невозможно из-за ограничений в расчеты дозы, ротации гантри и коллиматорные дизайн. Наконец разработка компактных доклинических ПЭТ сканеров, предлагая суб миллиметр пространственное разрешение является перспективным26 и эти устройства могут предоставлять очень элегантное решение интегрировать PET в платформу мелких животных излучения.
Мы продемонстрировали применимость этой модели для комбинированных МРТ и ПЭТ руководствуясь облучение и химиотерапия глиобластома крыс и для будущих исследований по новой терапии для глиобластома. Кроме того применение повышения ПЭТ руководствуясь суб объем является первым шагом на пути включения BTV в планировании лечения излучения малых животных рака моделей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют никаких конфликтов интересов раскрывать
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить Stichting лука Hemelaere и Международная ассоциация сороптимисток для поддержки этой работы.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| GB RAT model | |||
| F98 Glioblastoma cell line | ATCC | CRL-2397 | |
| Fischer F344/Ico crl Rats | Charles River | N/A | http://www.criver.com/products-services/basic-research/find-a-model/fischer-344-rat |
| Micropump system | World Precision Instruments | UMP3 | Micro 4: https://www.wpiinc.com/products/top-products/make-selection-ump3-ultramicropump/#tabs-1 |
| Stereotactic frame | Kopf | 902 | Model 902 Dual Small Animal Stereotaxic frame |
| diamant drill | Velleman | VTHD02 | https://www.velleman.eu/products/view/?id=370450 |
| Bone wax | Aesculap | 1029754 | https://www.aesculapusa.com/products/wound-closure/hemostatic-bone-wax |
| Insulin syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29G |
| InfraPhil IR lamp | Philips | HP3616/01 | |
| Ethilon | Ethicon | 662G/662H | FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cell culture | |||
| DMEM | Invitrogen | 14040-091 | |
| Penicilline-streptomycine | Invitrogen | 15140-148 | |
| L-glutamine | Invitrogen | 25030-032 | |
| Fungizone | Invitrogen | 15290-018 | |
| Trypsin-EDTA | Invitrogen | 25300-062 | |
| PBS | Invitrogen | 14040-224 | |
| Falcons | Thermo Scientific | 178883 | 175 cm2 nunclon surface, disposables for cell culture with filter caps |
| Cell freezing medium | Sigma-aldrich | C6164 | Cell Freezing Medium-DMSO, sterile-filtered, suitable for cell culture, endotoxin tested |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Animal irradiation | |||
| Micro-irradiator | X-strahl | SARRP | |
| software for irradiation | X-strahl | MuriPlan | pre-clinical treatment planning system (PCTPS), version 2.0.5. |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Small animal PET | |||
| microPET system possibility 1 | Molecubes | B-Cube | http://www.molecubes.com/b-cube/ |
| microPET system possibility 2 | TriFoil Imaging, Northridge CA | FLEX Triumph II | http://www.trifoilimaging.com |
| PET tracers | In-house made | 18F-FDG, 18F-FET, 18F-FAZA, 18F-Choline | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Small animal MRI | |||
| microMRI system | Bruker Biospin | Pharmascan 70/16 | https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan/overview.html |
| Dotarem contrast agent | Guerbet | MRI contrast agent, Dotarem 0,5 mmol/ml | |
| rat whole body transmitter coil | Rapid Biomedical | V-HLS-070 | |
| rat brain surface coil | Rapid Biomedical | P-H02LE-070 | |
| Water-based heating unit | Bruker Biospin | MT0125 | |
| 30 G Needle for IV injection | Beckton-Dickinson | 305128 | 30 G |
| PE 10 tubing (60 cm/injection) | Instech laboratories, Inc | BTPE-10 | BTPE-10, polyethylene tubing 0.011 x .024 in (0.28 x 60 mm), non sterile, 30 m (98 ft) spool, Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA- (800) 443-4227- http://www.instechlabs.com |
| non-heparinised micro haematocrit capillaries | GMBH | 7493 21 | these capillaries are filled with water to create markers visible on MRI and CT |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Consumables | |||
| isoflurane: Isoflo | Zoetis | B506 | Anaesthesia |
| ketamine: Ketamidor | Ecuphar | Anaesthesia | |
| xylazine: Sedaxyl | Codifar NV | Anaesthesia | |
| catheter | Terumo | Versatus-W | 26G |
| Temozolomide | Sigma-aldrich | T2577-100MG | chemotherapy |
| DMSO | Sigma-aldrich | 276855-100ML | |
| Insulin syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29G |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Image analysis | |||
| PMOD software | PMOD technologies LLC | PFUS (fusion tool) | biomedical image quantification software (BIQS), version 3.405, https://www.pmod.com/web/?portfolio=22-image-processing-pfus |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Anesthesia-equipment | |||
| Anesthetic movabe unit | ASA LTD | ASA 0039 | ASA LTD, 5 valley road, Keighley, BD21 4LZ |
| Oxygen generator | Veterinary technics Int. | 7F-3 | BDO-Medipass, Ijmuiden |
References
- Stupp, R., et al. Promising survival for patients with newly diagnosed glioblastoma multiforme treated with concomitant radiation plus temozolomide followed by adjuvant temozolomide. J Clin Oncol. 20 (5), 1375-1382 (2002).
- Dhermain, F. Radiotherapy of high-grade gliomas: current standards and new concepts, innovations in imaging and radiotherapy, and new therapeutic approaches. Chin J Cancer. 33 (1), 16-24 (2014).
- Ahmed, R., et al. Malignant gliomas: current perspectives in diagnosis, treatment, and early response assessment using advanced quantitative imaging methods. Cancer Manag Res. 6, 149-170 (2014).
- Verhaegen, F., Granton, P., Tryggestad, E. Small animal radiotherapy research platforms. Phys Med Biol. 56 (12), R55-R83 (2011).
- Kinsella, T. J., Vielhuber, K. A., Kunugi, K. A., Schupp, J., Davis, T. W., Sands, H. Preclinical toxicity and efficacy study of a 14-day schedule of oral 5-iodo-2-pyrimidinone-2-deoxyribose as a prodrug for 5-iodo-2-deoxyuridine radiosensitization in U251 human glioblastoma xenografts. Clin Cancer Res. 6 (4), 1468-1475 (2000).
- Vellimana, A. K., et al. Combination of paclitaxel thermal gel depot with temozolomide and radiotherapy significantly prolongs survival in an experimental rodent glioma model. J Neurooncol. 111 (3), 229-236 (2012).
- Kioi, M., Vogel, H., Schultz, G., Hoffman, R. M., Harsh, G. R., Brown, J. M. Inhibition of vasculogenesis, but not angiogenesis, prevents the recurrence of glioblastoma after irradiation in mice. J Clin Invest. 120 (3), 694-705 (2010).
- Vinchon-Petit, S., Jarnet, D., Jadaud, E., Feuvret, L., Garcion, E., Menei, P. External irradiation models for intracranial 9L glioma studies. J Exp Clin Cancer Res. 29, 142 (2010).
- Yang, W., et al. Convection enhanced delivery of carboplatin in combination with radiotherapy for treatment of brain tumors. J Neurooncol. 101 (3), 379-390 (2011).
- Rousseau, J., et al. Efficacy of intracerebral delivery of cisplatin in combination with photon irradiation for treatment of brain tumors. J Neurooncol. 98 (3), 287-295 (2010).
- Baumann, B. C., et al. An integrated method for reproducible and accurate image-guided stereotactic cranial irradiation of brain tumors using the small animal radiation research platform. Transl Oncol. 5 (4), 230-237 (2012).
- Grosu, A. -L., et al. Implications of IMT-SPECT for postoperative radiotherapy planning in patients with gliomas. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 54 (3), 842-854 (2002).
- Butterworth, K. T., Prise, K. M., Verhaegen, F. Small animal image-guided radiotherapy: Status, considerations and potential for translational impact. Br J Radiol. 88 (1045), 4-6 (2015).
- Aird, E. G. A., Conway, J. CT simulation for radiotherapy treatment planning. Br J Radiol. 75 (900), 937-949 (2002).
- Baker, G. R. Localization: Conventional and CT simulation. Br J Radiol. 79 (Spec No 1). , S36-S49 (2006).
- Corroyer-Dumont, A., et al. MRI-guided radiotherapy of the SK-N-SH neuroblastoma xenograft model using a small animal radiation research platform. Br J Radiol. 90 (1069), 20160427 (2017).
- Bolcaen, J., et al. MRI-guided 3D conformal arc micro-irradiation of a F98 glioblastoma rat model using the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). J Neurooncol. 120 (2), 257-266 (2014).
- Niyazi, M., et al. FET-PET for malignant glioma treatment planning. Radiother Oncol. 99 (1), 44-48 (2011).
- Grosu, A. L., et al. First experience with I-123-alpha-methyl-tyrosine SPECT in the 3-D radiation treatment planning of brain gliomas. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 47 (2), 517-526 (2000).
- Ling, C. C., et al. Towards multidimensional radiotherapy (MD-CRT):biological imaging and biological conformality. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 47 (3), 551-560 (2000).
- Wahl, R. L., Jacene, H., Kasamon, Y., Lodge, M. A. From RECIST to PERCIST: Evolving Considerations for PET response criteria in solid tumors. J Nucl Med. 50 Suppl 1. (5), 122S-150S (2009).
- Daisne, J. F., et al. Tumor volume in pharyngolaryngeal squamous cell carcinoma: comparison at CT, MR imaging, and FDG PET and validation with surgical specimen. Radiology. 233 (1), 93-100 (2004).
- Grosu, A. -L., Weber, W. PET for radiation treatment planning of brain tumours. Radiother Oncol. 96 (3), Elsevier Ireland Ltd. 325-327 (2010).
- Banissi, C., Ghiringhelli, F., Chen, L., Carpentier, A. F. Treg depletion with a low-dose metronomic temozolomide regimen in a rat glioma model. Cancer Immunol Immunother. 58, 1627-1634 (2009).
- Robinson, C. G., et al. Effect of alternative temozolomide schedules on glioblastoma O(6)-methylguanine-DNA methyltransferase activity and survival. Br J Cancer. 103, 498-504 (2010).
- España, S., Marcinkowski, R., Keereman, V., Vandenberghe, S., Van Holen, R. DigiPET: sub-millimeter spatial resolution small-animal PET imaging using thin monolithic scintillators. Phys Med Biol. 59 (13), 3405 (2014).
