Diffuse spettroscopia ottica per la valutazione quantitativa di acuta radiazioni ionizzanti tossicità cutanee indotte Utilizzando un modello di topo
May 27th, 2016
Presentiamo un approccio spettroscopico ottico diffuso (DOS) che fornisce biomarcatori ottici quantitativi della risposta cutanea alle radiazioni. Descriviamo la progettazione della strumentazione DOS, gli algoritmi di estrazione dei parametri ottici e le procedure di manipolazione degli animali necessarie per produrre dati rappresentativi da un modello murino preclinico di eritema indotto da radiazioni.
L'obiettivo generale di questa tecnica di spettroscopia ottica diffusa è quello di sviluppare un biomarcatore quantitativo per descrivere l'eritema acuto indotto da radiazioni. Questo metodo può essere utilizzato nel campo della radioterapia come biomarcatore predittivo per identificare i pazienti a rischio di grave tossicità cutanea da radiazioni. Quindi il vantaggio principale di questa tecnica è che fornisce una metrica oggettiva e sistematica per quantificare la tossicità cutanea delle radiazioni.
Dimostrerò la tecnica della spettroscopia ottica diffusa ed Elina, una ricercatrice del Loo Lab, si occuperà dei topi. Accendere l'elettronica e consentire l'avvio del sistema. Quindi spegni tutte le luci fluorescenti nella stanza e posiziona le luci a incandescenza a una certa distanza dal dispositivo di misurazione per fornire un'illuminazione funzionante.
Quindi, impostare lo strumento per effettuare misurazioni dalla pelle del mouse. Impostare i parametri del segnale come segue. Impostare il tempo di raccolta su 25 millisecondi, impostare le medie del segnale su 25 e impostare la larghezza del filtro del vagone merci su uno.
Questi parametri offrono un ragionevole equilibrio tra il tempo di acquisizione e il rapporto segnale/rumore. Successivamente, utilizzando il software di acquisizione programmato su misura, acquisisci automaticamente una lettura in background con il LED spento. Quindi, acquisire una lettura con riflettanza diffusa a due distanze di separazione del rivelatore sorgente.
Effettua una misurazione a 260 micron e la seconda a 520 micron. Il tempo di acquisizione in totale dovrebbe essere di circa due secondi. Dopo aver anestetizzato il topo, spostarlo nell'area di rilevamento DOS sterilizzata.
Posizionalo su un fianco e fissa il muso a un cono nasale che eroga il 2% di gas isoflurano per mantenere l'anestesia. Ora sterilizzare la sonda con etanolo al 70%, ma non tentare di sterilizzare la pelle. Tenere delicatamente la sonda sterilizzata sulla pelle del fianco.
Non premere troppo forte, poiché la vascolarizzazione locale non deve essere dispersa dalla pressione della sonda. Tenendo la sonda, acquisire i dati di riflettanza sull'area di due centimetri quadrati da irradiare. Raccogli i dati in una formazione a cinque punti come su un dado.
Mantenere questo modello e la pressione di tastatura coerenti in tutte le misurazioni successive. Dopo aver effettuato le misurazioni, posizionare il topo in una gabbia di recupero. Mentre il mouse si riprende, ripetere la procedura sul mouse successivo.
Questa procedura è adattata all'irradiatore disponibile. Modificalo secondo necessità per irradiare una piccola sezione di pelle. Dopo aver anestetizzato un topo, pizzicare delicatamente un po' di pelle sul fianco e fissare la pelle tesa con del nastro adesivo per formare un lembo.
Quindi posiziona il mouse su un tavolino in plexiglass e copri il suo corpo con una maschera di piombo personalizzata. Utilizzare una scatola di piombo accessibile su due lati e dotata di una finestra per l'irradiazione della pelle. Quindi tirare il lembo di pelle attraverso la finestra della maschera e fissare il lembo al palco.
Se il topo non è immobilizzato dalla maschera, somministragli un'iniezione di anestetico. Quindi posiziona il palco con la maschera e il mouse nell'irradiatore. Calcolare la dose di irradiazione richiesta.
Ad esempio, una sorgente di raggi X a 160 kilovoltaggi di picco posizionata a 11 centimetri di distanza irradierebbe adeguatamente la pelle a 6,3 milliampere per 2,5 minuti. Quindi, erogare la dose calcolata. Dopo aver dosato l'animale, rimetterlo in una gabbia di recupero.
Una volta recuperato dall'anestesia, riportare il topo alla sua normale gabbia abitativa condivisa. I topi sono stati irradiati e misurati come descritto. Prima dell'irradiazione, è stato prelevato uno spettro di base con una separazione della sorgente di 260 micron in un modello murino atimico di pelle.
La linea verde spessa mostra un adattamento matematico della sottile linea blu. Rispetto alle misurazioni effettuate sei giorni dopo un'irradiazione a 40 grigi, sono state osservate differenze nella forma spettrale tra 550 e 600 nanometri, probabilmente dovute ad un aumento dell'emoglobina ossigenata. Si osserva anche un piccolo aumento della riflettanza assoluta, che può essere correlato ad un aumento del potere di dispersione dei tessuti.
I dati adattati restituiscono biomarcatori ottici quantitativi che possono essere tracciati in funzione del tempo post-irradiazione. Ad esempio, le misurazioni della saturazione di ossigeno nei tessuti sono aumentate progressivamente dopo l'irradiazione. Questi dati quantitativi erano correlati con un grado visivo della tossicità cutanea, che aumentava progressivamente anche dopo l'irradiazione.
Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come utilizzare la spettroscopia ottica diffusa per il punteggio quantitativo delle tossicità cutanee da radiazioni. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in due o tre minuti, se eseguita correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, è importante premere delicatamente la sonda DOS verso il basso per evitare di disperdere il sistema vascolare.
Questa tecnica può essere utilizzata nel campo della radioterapia come un modo per collegare i parametri fisiologici nella descrizione della normale risposta dei tessuti alle radiazioni.
Panoramica
Questo studio presenta una tecnica di spettroscopia ottica diffusa (DOS) per quantificare la risposta cutanea alla radiazione, concentrandosi specificamente sull'eritema acuto indotto da radiazioni. Il metodo mira a fornire biomarcatori oggettivi in grado di prevedere la tossicità cutanea nei pazienti sottoposti a radioterapia.
Componenti chiave dello studio
Area della scienza
- Neuroscienze
- Radioterapia
- Spettroscopia ottica
Sfondo
- L'eritema acuto indotto da radiazioni è un effetto collaterale comune della radioterapia.
- I metodi attuali per valutare la tossicità cutanea sono spesso soggettivi.
- La spettroscopia ottica diffusa offre un approccio non invasivo per misurare la risposta cutanea.
- Questa tecnica può aiutare a identificare i pazienti a rischio di gravi reazioni cutanee.
Obiettivo dello studio
- Sviluppare un biomarcatore quantitativo per la tossicità cutanea indotta da radiazioni.
- Dimostrare la tecnica DOS in un modello pre-clinico di topo.
- Stabilire un metodo sistematico per misurare la risposta cutanea alle radiazioni.
Metodi utilizzati
- Progettazione di strumentazione per la spettroscopia ottica diffusa.
- Procedure di gestione degli animali per una raccolta dati accurata.
- Misurazione della riflettanza cutanea a distanze specificate.
- Analisi dei biomarcatori ottici dopo l'irradiazione.
Risultati principali
- I biomarcatori ottici quantitativi sono stati monitorati con successo nel tempo.
- È stata osservata un'aumentata saturazione di ossigeno nei tessuti dopo l'irradiazione.
- Le modifiche nella forma spettrale sono correlate con le valutazioni visive della tossicità cutanea.
- La tecnica può essere eseguita in modo efficiente in pochi minuti.
Conclusioni
- La spettroscopia ottica diffusa fornisce un metodo oggettivo per valutare la tossicità cutanea da radiazioni.
- La tecnica può migliorare la gestione dei pazienti in radioterapia.
- Sono necessari ulteriori studi per validare questi risultati in ambienti clinici.
Domande frequenti
Executive Industry Relevance
Quantitative assessment of acute radiation-induced skin toxicity remains a critical gap in translational radiation therapy research, limiting predictive confidence and objective evaluation of normal tissue response. Diffuse optical spectroscopy (DOS) offers a reproducible, high-throughput approach to generate functional optical biomarkers, supporting mechanistic de-risking and target validation for interventional strategies. Integrating DOS-derived metrics into preclinical and clinical workflows enhances portfolio decision-making and risk-adjusted advancement of radioprotective agents.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables objective quantification of radiation-induced skin toxicity for hypothesis testing.
- Supports functional validation of candidate pathways and targets involved in tissue response.
- Facilitates mechanistic de-risking by linking physiological parameters to radiation injury.
- Improves predictive confidence for selecting and triaging interventional compounds.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, quantitative optical biomarkers for assay development.
- Enables reproducible measurement of skin response across experimental cohorts.
- Supports high-throughput screening of candidate radioprotective agents in preclinical models.
- Delivers quantitative outputs suitable for cross-study and cross-platform comparison.
Translational & Preclinical Research
- Aligns preclinical biomarker readouts with clinically relevant endpoints for skin toxicity.
- Enables longitudinal tracking of tissue response, supporting translational continuity.
- Reduces ambiguity in efficacy assessment for radioprotective or mitigating interventions.
- Supports risk-adjusted advancement decisions based on quantitative, objective data.
Pipeline & Workflow Integration
DOS-based quantitative skin toxicity assessment fits within the discovery-to-preclinical continuum, bridging early mechanistic studies and translational validation of radioprotective strategies.
- Discovery Biology: Provides objective metrics for hypothesis testing and pathway clarification in radiation response.
- Screening: Enables reproducible, quantitative assay outputs for compound evaluation.
- Analytics: Delivers optical biomarker measurements and statistical comparisons of tissue response.
- Translational Research: Aligns preclinical optical biomarkers with clinical skin toxicity endpoints.
- Enterprise Reuse: Establishes a scalable, standardized platform for ongoing radiobiology research and therapeutic evaluation.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in radiation toxicity studies.
- Operational Value: Standardizes and accelerates quantitative assessment of skin response in preclinical models.
- Strategic Value: Supports robust go/no-go decisions and capital-efficient advancement of radioprotective candidates.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and cross-program comparability of intervention efficacy.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical spectroscopy and quantitative data analysis.
- Needs dedicated instrumentation and controlled lighting conditions for reproducibility.
- Demands cross-team standardization of measurement protocols and data interpretation.
- Adaptation to other tissue models or clinical settings may require protocol optimization.
- Careful probe handling is essential to avoid artifacts from local vasculature displacement.
