Tissue-simuleren Phantoms voor de beoordeling van potentiële nabij-infrarood fluorescentie beeldvorming Toepassingen in Borstkanker Chirurgie

Samenvatting

Near-infrared fluorescerentie (NIRF) beeldvorming kan het therapeutische resultaat van borstkankerchirurgie verbeteren door intraoperatieve tumorlokalisatie en evaluatie van de chirurgische margestatus mogelijk te maken. Met behulp van weefselsimulerende borstphantoms die fluorescente tumor-simulerende inclusies bevatten, kunnen potentiële klinische toepassingen van NIRF-beeldvorming bij borstkankerpatiënten worden beoordeeld voor standaardiserings- en trainingsdoeleinden.

Samenvatting

Onnauwkeurigheden in intraoperatieve tumor lokalisatie en evaluatie van chirurgische margestatus resultaat in een suboptimale uitkomst van een borstsparende operatie (BCS). Optical imaging, met name nabij-infrarood fluorescentie (NIRF) beeldvorming, kan de frequentie van positieve snijvlakken na BCS verminderen door de chirurg een instrument vooraf en intraoperatieve tumor lokalisatie in real-time. In de huidige studie, is het potentieel van NIRF-begeleide BCS geëvalueerd met behulp van weefsel simuleren borst fantomen om redenen van standaardisatie en de beroepsopleiding.

Borst fantomen met optische eigenschappen vergelijkbaar met die van normaal borstweefsel werden gesimuleerd borstsparende chirurgie. Tumor simuleren insluitsels die de fluorescerende kleurstof indocyaninegroen (ICG) werden opgenomen in de fantomen op vooraf bepaalde locaties en afgebeeld voor pre-en intraoperatieve tumor lokalisatie, real-time NIRF-begeleide tumor resectie, NIRF-begeleideover de omvang van de operatie en postoperatieve beoordeling van snijvlakken. Een aangepaste NIRF camera werd gebruikt als klinisch prototype voor beeldvormingsdoeleinden.

Breast fantomen die tumor nabootsen insluitsels bieden een eenvoudige, goedkope en veelzijdig gereedschap te simuleren en evalueren intraoperative tumor imaging. De gelatineuze fantomen elastische eigenschappen hebben vergelijkbaar met humane weefsels en kan worden gesneden met conventionele chirurgische instrumenten. Bovendien, de fantomen bevatten hemoglobine en intralipide voor nabootsen absorptie en verstrooiing van fotonen respectievelijk instelling van uniforme optische eigenschappen vergelijkbaar met humane borstweefsel. Het belangrijkste nadeel van NIRF beeldvorming is de beperkte penetratie diepte van fotonen wanneer verspreiden via weefsel, dat (niet-invasieve) beeldvorming van diepgewortelde tumoren met epi-verlichting strategieën belemmert.

Inleiding

Borstsparende operatie (BCS), gevolgd door radiotherapie is de standaard behandeling voor borstkanker patiënten met T _{1-T 2} mammacarcinoom ^1,2. Onjuistheden in intraoperatieve evaluatie van de omvang van de operatie leiden tot positieve chirurgische marges in 20 tot 40% van de patiënten die BCS onderging, noodzakelijk aanvullende chirurgische ingreep of radiotherapie ^3,4,5. Hoewel uitgebreide resectie van de aangrenzende gezonde borstweefsel de frequentie van positieve chirurgische marges kunnen verminderen, zal dit ook belemmeren cosmetisch resultaat en verhogen comorbiditeit ^6,7. Nieuwe technieken zijn daarom noodzakelijk dat intraoperatieve feedback op de locatie van de primaire tumor en de mate van chirurgie. Optische beeldvorming, in het bijzonder nabij-infrarood fluorescentie (NIRF) beeldvorming, kan de frequentie van positieve chirurgische marges volgende BCS te verminderen door de chirurg met een instrument voor pre-en intraoperatieve tumor lokalisatie in real-tijd. Onlangs heeft onze groep rapporteerde over de eerste studie in de mens van de tumor gerichte fluorescentie beeldvorming bij patiënten met ovariumcarcinoom, die de haalbaarheid van deze techniek om primaire tumoren en intraperitoneale metastasen te detecteren met een hoge gevoeligheid ^8. Alvorens over te gaan tot de klinische studies bij patiënten met borstkanker, maar de haalbaarheid van diverse tumor gerichte NIRF imaging toepassingen in BCS kan nu al worden geëvalueerd preklinisch met fantomen.

Het volgende onderzoek protocol beschrijft het gebruik van NIRF beeldvorming bij weefsel simuleren borst fantomen met tl-tumor simuleren insluitsels ^9. De fantomen een goedkoop en veelzijdig gereedschap te simuleren voor en intraoperatieve tumor lokalisatie, real-time NIRF geleide tumor resectie, beoordeling van de chirurgische margestatus en detectie van residual disease. De geleiachtige fantomen hebben elastische eigenschappen vergelijkbaar met menselijk weefsel en kan worden gesneden met behulp van conventionele enurgical instrumenten. Tijdens de gesimuleerde chirurgische ingreep, is de chirurg geleid door tactiele informatie (in het geval van tastbare insluitingen) en visuele inspectie van het operatiegebied. Bovendien wordt NIRF beeldvorming toegepast op de chirurg real-time intraoperative feedback van de omvang van chirurgie.

Benadrukt moet worden dat NIRF beeldvorming vereist het gebruik van fluorescerende kleurstoffen. Idealiter fluorescente kleurstoffen worden gebruikt die fotonen in het nabije infrarood spectrum uitzenden (650-900 nm) absorptie en verstrooiing van fotonen door moleculen fysiologisch rijk aan weefsel minimaliseren (bijvoorbeeld hemoglobine, lipiden, elastine, collageen en water) ^10,11. Bovendien autofluorescentie (dwz de intrinsieke fluorescentie activiteit in weefsel als gevolg van biochemische reacties in levende cellen) wordt geminimaliseerd in het nabij-infrarode spectrale gebied, resulteert in optimale tumor-to-background ratio ^11. Door het vervoegen NIRF kleurstoffen aan tumor-targeted groepen (bijvoorbeeld, monoklonale antilichamen), kan gerichte toediening van fluorescerende kleurstoffen worden verkregen voor intra-operatieve beeldvorming toepassingen.

Aangezien het menselijk oog ongevoelig is voor licht in het nabij-infrarode spectrale gebied, is een zeer gevoelige camera apparaat vereist NIRF beeldvorming. Verschillende NIRF beeldvormende systemen voor intra-operatieve gebruik zijn tot nu toe ¹² ontwikkeld. In de huidige studie hebben we gebruik gemaakt van een custom build NIRF imaging-systeem, dat is ontwikkeld voor intra-operatieve toepassing in samenwerking met de Technische Universiteit van München. Het systeem zorgt voor een gelijktijdige aankoop van afbeeldingen in kleur en fluorescentie beelden. Om de nauwkeurigheid van de fluorescentiebeelden te verbeteren, wordt een correctie ingestelde regeling variaties in lichtintensiteit in weefsel. Een gedetailleerde beschrijving wordt verschaft door Themelis et al. ¹³

Protocol

1 Maak siliconen mallen voor Tumor simuleren Inclusions

1. Verzamel vaste voorwerpen van de gewenste vorm en grootte die kan dienen als model voor tumor het simuleren van insluitsels, bijvoorbeeld kralen of knikkers.
2. Grondig reinigen van de tumor modellen. Een gemakkelijke verwijdering van de siliconen mal te waarborgen, kan de tumor modellen met antikleef spuiten besproeid of bedekt met een dun laagje vaseline of bijenwas.
3. Plaats elk model in een afzonderlijke dunne doos walled vierkant (plastic) met een glad oppervlak. Eventueel fixeren het model naar de bodem van de doos in positie te houden. Gebruik een doos die is iets groter dan de tumor model zelf om te voorkomen dat het verspillen van grote hoeveelheden van siliconen.
4. De benodigde hoeveelheid silicone component A in een mengkom en voeg silicone component B in een 10: 1 gewichtsverhouding. Meng beide componenten grondig. Eventueel kan een vacuümpomp worden gebruikt om luchtbellen uit het silicone mengsel verwijderd.
5. Zachtjes pour de siliconen mengsel in de plastic doos om te voorkomen dat luchtbellen. Het silicone mengsel moet binnen 45 minuten worden verwerkt om optimale resultaten.
6. Laat de silicone mengsel stollen ten minste 6 uur voor het snijden de mal en verwijderen van de tumor model. Eventueel kan de siliconen mal in een zigzagpatroon worden gesneden zodat deze weer samen netjes passen. Maximale sterkte van het silicium verkregen na 3 dagen.

2 Maak Tris-zoutoplossing

1. Een Tris-gebufferde zoutoplossing (TBS) door toevoeging van 6,1 g (50 mM) Tris en 8,8 g (150 mM) NaCl 800 ml gedeïoniseerd water.
2. Voeg 1,0 g (15 mmol) _NaN3 tot oxygenatie van hemoglobine (stap 3.3 en 4.4) blokkeren en bacteriegroei te remmen. LET OP: NaN ₃ is een ernstige vergif. Het kan fataal in aanraking met de huid of opname door de mond zijn. De toxiciteit van deze verbinding is vergelijkbaar met die van alkali oplosbare cyaniden en de dodelijke dosis voor een volwassen mensis ongeveer 0,7 g. Volg altijd de veiligheidsvoorschriften, zoals bepaald door de fabrikant.
3. Stel de pH op 7,4 en breng het volume op 1000 ml met gedeïoniseerd water.

3 Maak Fluorescent Inclusions

1. Voeg 2 g agarose met 50 ml TBS uit stap 2 Hoe hoger smeltpunt agarose tegenover gelatine (stap 4.2) wordt voorkomen dat de insluitsels oplost en lekkende fluorescerende kleurstof wanneer geplaatst in gesmolten gelatine. Eventueel kan de hoeveelheid toegevoegd agarose worden gewijzigd volgens 1 of 3 g zachter of palpabele insluitsels respectievelijk verkrijgen.
2. Verwarm de agarose suspensie met een magnetron totdat het kookpunt is bereikt. Grondig roeren totdat de agarose volledig is opgelost.
3. Voeg 1,1 g (17 umol) hemoglobine en 5 ml Intralipid 20% opgelost in 50 ml TBS de agarose mengsel onder voortdurend roeren lijken op de optische eigenschappen van de omringende borst fantoom weefsel (stap 4).
4. Voeg 20,0 mg (250,8 umol) van de fluorescente kleurstof indocyaninegroen 83,8 ml gedeïoniseerd water. Controleer of de kleurstof volledig is opgelost.
5. Pipetteer 5,0 ml van deze oplossing toevoegen aan de agarose mengsel tot een eindconcentratie van 14 uM te verkrijgen. Eventueel kunnen andere fluorescente kleurstoffen dan ICG desgewenst worden gebruikt met hun eigen optimale concentratie.
6. Voorzichtig vul de siliconen mallen gemaakt in stap 1 met de hete agarose mengsel met behulp van een injectiespuit (figuur 1A). Herhaal dit proces tot alle mallen zijn gevuld.
7. Laat de fluorescerende insluitsels stollen bij kamertemperatuur gedurende ongeveer een uur. Bescherm de insluitsels van licht door het bedekken van het hele mal met aluminiumfolie.
8. Na het stollen, opent voorzichtig de mal en druk op de opname (Figuur 1B). Eventueel met de punt van de spuit om kleine druppels gesmolten agarose gemengd worden op het oppervlak van de opname. Door het herhalen van dit proces meerdere keren op dezelfde locatie, kleine tumor sporen kunnen worden gemaakt voor de simulatie van infiltratieve tumoren.
9. Bescherm de agarose insluitsels van licht en uitdroging door ze te omwikkelen met aluminiumfolie en bewaar ze in een vochtige opslag container bij 4 ° C.
   Opmerking: Het gebruik van lagere of hogere fluorescente kleurstof concentraties dan de bekende concentratie optimaal zal zowel leiden tot verminderde fluorescentie signaalintensiteit. De schijnbaar contra vermindering signaalintensiteit bij toenemende kleurstof concentraties boven de optimale fluorescente kleurstof concentratie door een fenomeen quenching. Bij de beoordeling van de maximale diepte penetratie van een fluorescerende kleurstof in fantomen, met behulp van de optimale concentratie is verplicht.

4 Maak Borst Phantoms

1. Verkrijgen van een komvormige mal borst fantomen van de gewenste maat en volume, bijvoorbeeld een glas of plastic kom maken. De mal moet een glad oppervlak om de gelatine vorm vast te houden aan de schimmel te voorkomen hebben. Een mal volume van 500 ml zal borst fantomen van voldoende omvang.
2. Een borst fantoom met een volume van 500 ml te maken, voeg 50 g gelatine 250 bloom 500 ml TBS (stap 2). Verwarm de gelatine slurry tot 50 ° C onder constant roeren.
3. Zodra de gelatine volledig opgelost is, laat de gelatine mengsel langzaam afkoelen en handhaven bij een constante temperatuur van 35 ° C met een heet waterbad.
4. Onder constant roeren, voeg 5,5 g (85 mmol) bovine hemoglobine en 25 ml Intralipid 20% absorptie en verstrooiing van fotonen respectievelijk simuleren weefsel.
5. Prechill het komvormige vorm bij 4 ° C gedurende tenminste 1 uur. Vervolgens giet de gelatine mengsel in de matrijs tot een niveau dat overeenkomt met de vooraf bepaalde diepte van de agarose-tumor nabootsen integratie (Figuur 1C). Laat de gelatine mengsel stollen bij 4 ° C gedurende 30 minuten tot een uur.
6. Na het stollen, plaatst een tumor simuleren fluorescerende agarose opname op het oppervlak van het fantoom en tijdelijk fixeren van de opname met een kleine naald. Maximaal drie-tumor nabootsen fluorescerende insluitsels in een borst fantoom kunnen worden opgenomen. Voldoende ruimte (minimaal 5 cm) moet worden gehouden tussen individuele-tumor simuleren insluitsels (figuur 1D).
7. Giet de rest van de warme gelatine mengsel in de matrijs resterende volume, waardoor hechting van beide lagen zonder dat breking artefacten. Markeer de locatie van het fluorescent-tumor simuleren insluitsels op de mal. Laat het fantoom stollen O / N bij 4 ° C.
8. Eenmaal gestold, verwijder de naalden gebruikt voor tijdelijke fixatie van de insluitsels en verwijder voorzichtig de borst fantoom van de schimmel (figuur 1E). Bescherm de borst fantoom van licht en uitdroging door het te verpakken in aluminiumfolie en bewaar deze in een vochtige opslag container bij 4 ° C.

ure 1 "fo: content-width =" 5in "src =" / files / ftp_upload / 51776 / 51776fig1highres.jpg "width =" 500 "/>
Figuur 1 Sequentiële stappen voor het maken borst fantomen die fluorescent-tumor nabootsen insluitsels. Nadat silicone vormen van de gewenste vorm en afmetingen, de vormen worden gevuld met gesmolten agarose mengsel met een injectiespuit (A). Tumor simuleren insluitsels van verschillende grootte en vorm werden in deze studie (B). Vervolgens wordt een dunne laag gesmolten gelatine mengsel uitgegoten in een aangepaste gecoate houten borst vorm (C). Na stollen worden de tumor nabootsen insluitsels gepositioneerd tijdelijk gefixeerd en bedekt met een andere laag van gesmolten gelatine mengsel (D). Na het stollen, wordt de borst phantom voorzichtig verwijderd uit de mal (E). De fantoom kan vervolgens worden toegepast voor het simuleren van verschillende NIRF imaging toepassingen (F).ref = "/ files / ftp_upload / 51776 / 51776fig1highres.jpg" target = "_blank"> Klik hier om een ​​grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

5 Stel de NIRF Camera System

1. Een NIRF camerasysteem voor intra-operatieve toepassing is vereist voor het simuleren van gerichte NIRF beeldvorming bij borstkanker chirurgie. Verschillende NIRF beeldvormende systemen voor real-time intra-operatieve beeldvorming NIRF beschikbaar voor onderzoeksdoeleinden. Hoewel enkele verschillen tussen deze inrichtingen bestaan, ze bevatten een excitatie lichtbron (voor excitatie van de fluorescente tumor inclusies) en een zeer gevoelige beeldvormende inrichting voor detectie van geëmitteerde fotonen.
2. Zorg ervoor dat u een excitatie lichtbron van voldoende golflengte gebruiken. Voor-tumor simuleren insluitsels bevatten ICG, maken gebruik van een excitatie lichtbron (bijvoorbeeld laser) dat fotonen tussen 750 en 800 nm uitzendt. Als alternatief fluorescerende kleurstof wordt gebruikt, dient de excitatiegolflengte aangepast conform de ma instructies brikant's.
3. In het geval dat de NIRF camera systeem bevat een emissie filter om te filteren op ongewenste achtergrond signalen, zorg ervoor dat u het juiste filter gebruikt. Voor-tumor simuleren insluitsels bevatten ICG, maken gebruik van een emissie-filter tussen 800 en 850 nm. Alternative fluorescerende kleurstoffen kunnen verschillende emissie filters vereisen, afhankelijk van de instructies van de fabrikant.
   OPMERKING: Zorg ervoor dat er nul overlap tussen de excitatie en de emissie golflengtes te oververzadigd beelden te voorkomen. Bovendien kan de beeldacquisitie tijd moeten worden aangepast om optimaal fluorescerende beelden oplevert. Bij diepliggende fluorescerende insluitingen en zwakke fluorescentiesignalen kunnen beeldacquisitie tijd worden verhoogd tot verscheidene seconden tot min. Bij oppervlakkige insluitingen en sterke fluorescentiesignalen kunnen opnametijd worden verlaagd tot meerdere msec om voor video-rate fluorescentie beeldvorming in real-time.

e "> 6. Simulatie van NIRF Imaging Applications in Borstkanker Chirurgie

1. Neem het weefsel simuleren borst fantoom uit de verpakking en leg deze op een vlakke niet-fluorescerende oppervlak. Vervolgens plaatst u de NIRF imaging apparaat boven de borst fantoom, waardoor een voldoende werkafstand voor excisie van de tumor simuleren insluitsels.
2. Lokaliseren van de tumor simuleren fluorescerende opnemen met NIRF beeldvorming en / of palpatie van de fantoom borst. In het geval dat er geen fluorescerend signaal worden gedetecteerd, wordt de opname van beide gepositioneerd te diep in het fantoom voor de detectie of het beeld acquisitie tijd moet worden verhoogd.
3. Nadat de opname is gelokaliseerd, incise het fantoom borst en verwijder de tumor simuleren opneming, onder real-time NIRF-begeleiding met behulp van conventionele chirurgische instrumenten. Als alternatief kan de opname kan worden weggesneden uitsluitend leiden door visueel onderzoek en palpatie van de borsten fantoom aan de standaard-of-care te simuleren.
4. Direct na verwijderingvan de tumor nabootsen integratie beeld de chirurgische holte voor het resterende fluorescentie activiteit aangeeft matig excisie.
5. In geval van enige resterende fluorescerende activiteit, accijnzen het overblijfsel opneming, onder directe begeleiding NIRF tot er geen fluorescerend signaal wordt gelaten.
6. Afbeelding van de weggesneden fantoom fragmenten NIRF-begeleide macroscopische margestatus assessment simuleren. Bij deze verordening, snijd de fantoom weefsel in 3-5 image mm plaques en de plaques dienovereenkomstig. Fluorescentiesignaal bereiken in de snijvlakken blijkt dat er positieve snijvlakken.

Resultaten

De resultaten van deze studie zijn eerder elders ⁹ vermeld.

Onze gegevens tonen aan dat NIRF beeldvorming kan worden toegepast op tl-tumor simuleren insluitsels te detecteren in-weefsel simuleren borst fantomen, simuleren NIRF-begeleide borstsparende operatie bij borstkankerpatiënten. Met onze phantom model hebben wij intraoperatieve tumor lokalisatie, NIRF geleide tumor resectie, intraoperatieve evaluatie chirurgische holte marges en detectie van residual disease haalbaar

Discussie

We gesimuleerde potentiële klinische toepassingen van NIRF geleide BCS door het gebruik van borst-vormige fantomen met geïntegreerde tumor nabootsen insluitsels. Intraoperatieve tumor lokalisatie, NIRF-begeleide tumor resectie, de evaluatie van de omvang van de operatie, en postoperatieve evaluatie van de chirurgische marges bleken allemaal haalbaar is met behulp van een op maat bouwen NIRF camerasysteem. Invasieve detectie van fluorescentie-tumor nabootsen insluitsels slechts haalbaar voor insluitsels gelegen in het fa...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Bovine hemoglobin	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	H2500	Simuleert absorptie van fotonen in weefsel
Intralipid 20%	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	I141	Simuleert verstrooiing van fotonen in weefsel
Silicone A translucid 40 (2-componenten poly-additie silicone)	NedForm, Geleen, The Netherlands		Pakket bestaat uit componenten A en B, die een op een gemengd moeten worden (A:B=10:1).  Link naar de pagina van de fabrikant: http://tinyurl.com/ncjq7jx
Gelatine 250 Bloom	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	48724	Constructie van borstvormige phantoms
Agarose	Hispanagar, Burgos, Spanje		Constructie van tumor-simulerende inclusies
Tris	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	T1503
HCl	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	258148
NaCl	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	S9888
NaN3	Merck, Darmstadt, Duitsland	822335	VOORZICHTIG: ernstig gif. De toxiciteit van deze verbinding is vergelijkbaar met die van oplosbare alkalicyaniden en de dodelijke dosis voor een volwassen mens is ongeveer 0,7 gram.
Voorbeelden van NIRF-beeldvormingsapparaten voor intraoperatieve toepassing:
T2 NIRF-beeldvormingsplatform	SurgVision BV, Heerenveen, The Netherlands		Aangepast NIRF-beeldvormingssysteem gebruikt in de huidige studie. Meer details beschikbaar op www.surgvision.com
Photodynamic Eye	Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH, Herrsching am Ammersee, Duitsland	PC6100	www.iht-ltd.com
FLARE beeldvormingssysteem kit	The FLARE Foundation Inc, Wayland, MA, USA		www.theflarefoundation.org
Fluobeam	Fluoptics, Grenoble, Frankrijk		www.fluoptics.com
Artemis handheld camera	Quest Medical Imaging BV, Middenmeer, Nederland		www.quest-mi.com
Voorbeelden van NIRF-fluorescente kleurstoffen voor intraoperatieve toepassing:
Indocyanine groen	ICG-PULSION,  Feldkirchen, Duitsland	PICG0025DE	Klinische kwaliteit fluorescente kleurstof voor NIRF-beeldvorming gebruikt in de huidige studie. Meer details beschikbaar op www.pulsion.com
IRDye 800CW NHS Ester	LI-COR Biosciences, Lincoln, NE, USA	929-70021	www.licor.com