Method Article

Diffuse optische spectroscopie voor de kwantitatieve beoordeling van Acute ioniserende straling veroorzaakte Huidtoxiciteit Met behulp van een muismodel

DOI:

10.3791/53573

⸱

May 27th, 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Radiation Oncology, University of Toronto, 2Department of Physics, Ryerson University, 3Department of Medical Biophysics, University of Toronto, 4Ontario Cancer Institute / Campbell Family Institute for Cancer Research

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We present a diffuse optical spectroscopic (DOS) approach that provides quantitative optical biomarkers of skin response to radiation. We describe DOS instrumentation design, optical parameters extraction algorithms and the animal handling procedures required to yield representative data from a pre-clinical mouse model of radiation induced erythema.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Acute skin toxicities from ionizing radiation (IR) are a common side effect from therapeutic courses of external beam radiation therapy (RT) and negatively impact patient quality of life and long term survival. Advances in the understanding of the biological pathways associated with normal tissue toxicities have allowed for the development of interventional drugs, however, current response studies are limited by a lack of quantitative metrics for assessing the severity of skin reactions. Here we present a diffuse optical spectroscopic (DOS) approach that provides quantitative optical biomarkers of skin response to radiation. We describe the instrumentation design of the DOS system as well as the inversion algorithm for extracting the optical parameters. Finally, to demonstrate clinical utility, we present representative data from a pre-clinical mouse model of radiation induced erythema and compare the results with a commonly employed visual scoring. The described DOS method offers an objective, high through-put evaluation of skin toxicity via functional response that is translatable to the clinical setting.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Technologische verbeteringen van radiotherapie (RT) en -uitvoering maken nu hoog-conformele therapeutische doses te leveren aan het tumorgebied, terwijl tegelijkertijd spaarde normale omringende structuren. Toch acute en soms ernstige toxiciteiten onvermijdelijk als het doel hoge dosis in de nabijheid van de huid. Indien ernstig genoeg is, kan de daaruit voortvloeiende normale weefselbeschadiging negatieve invloed hebben op de RT resultaat van de behandeling en de levenskwaliteit van de patiënt 1,2.

Ondanks de nadelige gevolgen, huidige management van de straling de huid erythema blijft niet-specifieke, in dienst crèmes of zalven die de onderliggende biologische mechanismen die leiden tot schade te negeren. Deze benaderingen zijn gebaseerd op het minimaliseren van symptomen en niet de oorzaak. Bovendien is de timing en administratie van interventionele behandelingen bemoeilijkt door de kwalitatieve en subjectieve aard van straling huidletsel beoordeling. Terwijl diverse erkendeorganisaties (RTOG, EORTC) bieden visuele beoordeling aanbevelingen, instellingen variëren in de keuze van hun voorkeur te scoren, waardoor vergelijkingen van normaal weefsel toxiciteit voor de toepassing van meta-analyses verduistert. Verder is een dergelijke indeling systemen zijn ruw en gevoelig voor inter-observer variabiliteit, zodanig dat de verschillen in straling letselernst te onderscheiden in studies ter evaluatie van strategieën ter beperking van toxiciteit kunnen zijn.

In plaats visueel beschrijven van de mate van erytheem in bestraalde huid, een alternatieve benadering is om parameters die kwantitatief de onderliggende fysiologische veranderingen die optreden in het orgaan te beschrijven meten. Bloed hemoglobine (Hb), weefsel zuurstofverzadiging (StO 2) of geoxygeneerde hemoglobine (OxyHb) niveaus werden gebruikt als proxies voor bestraling geïnduceerde erythema bij muizen 3-6. Na bestraling, totale Hb niveaus ondergaan schommelingen, maar OxyHb of StO 2 ondergaan een karakteristiek vroeg sterke stijging, gevolgd door eenvallen en nog eens meer aanhoudende stijging van 3,6. Wanneer irriterende stoffen worden gebruikt om de huid erytheem induceren vasculaire OxyHb niveaus direct correleren met de ernst van de lokale erytheem en ontsteking 7.

Diffuse optische spectroscopie (DOS) werken nabij-infrarood licht om functionele informatie over de biochemische en micromechanische componenten van vitale weefsels componenten. Dit kwantitatieve, niet-invasieve optische technologie biedt een methode om de cytokine-geïnduceerde vasodilatatie in bloedvaten die tijdens erythema via functionele surrogaten van Hb en StO 2 meten. Recente studies waarin DOS gemeten parameters met gecontroleerde klinische scoremethoden 8-11 geven het potentieel van deze techniek voor het overwinnen van de beperkingen die inherent zijn aan bestaande indeling systemen.

Hier beschrijven we een in-house, draagbaar, DOS systeem dat functioneel surrogaten toepast voor het kwantitatief detecting verschillen in stralingsgeïnduceerde huid toxiciteit in een preklinisch muismodel 5. De beschreven platform kan een middel van gestandaardiseerde erythema scoren met een hoge gevoeligheid voor de vroegtijdige opsporing en subtiele differentiatie van interventionele drug antwoord te geven. Bovendien, met slechts geringe aanpassingen, de instrumentatie kan uiteindelijk worden klinisch gebruikt voor real-time bewaking bed.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De volgende methoden zijn in overeenstemming met de richtlijnen van het Sunnybrook Research Institute Animal Care Ethics Committee.

1. Diffuse reflectie spectroscopie System

  1. Verzamel diffuse reflectie spectra met een handheld, vezeloptische sonde en draagbaar spectroscopische acquisitiesysteem die eerder is beschreven (Kim et al. 2010) en wordt kort besproken in figuur 1 (en bijbehorende onderschriften) volledigheid 1,2.

2. Voorbereiding van de muis-model van acute stralingsziekte huid beschadigen

  1. Teneinde 6-weken oude muizen (kale voorkeur, zoals athymische of SKH-1) en laten acclimatiseren in het dierenverblijf een week voordat experimenten. Reserve tenminste 3 muizen voor niet bestraalde controlegroep en 5 muizen een bestraalde groep.
  2. Vóór aanvang DOS metingen en bestraling, het etiket van de muizen met behulp van oor stoten of permanent marker markings op de staart. Als muizen zijn niet naakt, verwijder het haar op een 2 cm bij 2 cm patch van flank huid, maar dit kan huidirritatie veroorzaken.

3. Diffuse optische spectroscopie Data Acquisition

  1. Schakel de stroomtoevoer naar de elektronica.
  2. Voor de huid van muizen, stelt het signaal parameters voor de acquisitie software door te typen in 25 msec voor het verzamelen van de tijd, 25 voor het signaal gemiddelden en 1 voor de breedte gesloten goederenwagen filter. Deze parameters bieden een redelijk evenwicht tussen overname tijd en de signaal-ruis.
  3. Met behulp van aangepaste geprogrammeerd acquisitie software, automatisch een achtergrond lezen, R bg (LED uit) en diffuse reflectie te verwerven op twee bron-detector afstanden, R meas (260 pm, 520 pm) door te klikken op de knop "Acquire". De totale overnameprijs bedraagt ​​~ 2 sec.
  4. Schakel alle tl-kamer lichten door te drukken op de kamer lichtschakelaar voor het uitvoeren van metingen.
    LET OP: tlent ruimteverlichting interfereren met het gedetecteerde signaal (deze lampen geven een tijdsafhankelijke lichtintensiteit en dus is het moeilijk aftrekken als achtergrondsignaal). Hoewel gloeilampen worden toegepast houdt het licht op een afstand van de DOS probe hoge achtergrondniveaus (en slechte signaalruisverhouding) te voorkomen.

4. Animal Anesthesie en Baseline DOS Metingen

  1. Bereid de anesthesieapparaat door ervoor te zorgen dat alle verbindingen intact zijn en vloeibare isofluraan niveau voldoende is. Gebruik een anesthesie inductie kamer met een aangrenzende buis en neuskegel die kunnen tot een gesteriliseerde, zacht zachte ondergrond gemakkelijk te bereiken van de DOS-sonde worden afgeplakt.
  2. Verdoven een kooi van muizen op een tijdstip in de inductie kamer door het induceren met 4% isofluraan voor 30 sec. Verlaag de isofluraan bedraagt ​​2% voor de volgende 2 min. Controleer of de muis wordt verdoofd door het observeren van geen reactie van knijpen een teen van de achterste ledematen.
  3. Snelbeweeg één muis naar de gesteriliseerde DOS indringende gebied, leg het op zijn kant, vast zijn snuit in de neuskegel en open de neuskegel slang aan op de stroom van de anesthesie (2% isofluraan).
    LET OP: Als de procedure langer dan 1 neemt - 2 min, gelden dierenarts zalf op de ogen om uitdroging te voorkomen.
  4. Alvorens de muis huid metingen, steriliseren de sonde schoon met 70% ethanol. De huid niet steriliseren.
  5. Plaats de sonde zachtjes op de flank huid en zorg ervoor om te voorkomen dat het verspreiden van de lokale vaatstelsel. Houd de sonde met de hand gedurende de duur van de meting.
  6. Verwerven reflectantie data door probing een flank huidgebied van ongeveer 2 cm bij 2 cm (het gebied dat moet worden bestraald) door de 5-dot vorming op een dobbelsteen. Houd deze indringende patroon, gebied probe druk en lichaamszijde (links of rechts) consistent zijn voor alle volgende metingen.
    NB: De volledige scan duurt ongeveer 60 sec. Probe druk moet net genoeg om een ​​scan te verkrijgen zonder het verspreiden local vaatstelsel.
  7. Beweeg de muis in een kooi herstel, en verplaats de volgende muis over de DOS indringende omgeving. Herhaal stap 4,2-4,6 totdat alle muizen werden gemeten. Heeft een dier niet onbeheerd achter te laten tot het voldoende bewustzijn heeft herwonnen om borstligging handhaven.

5. Animal bestraling

Opmerking: Dit protocol vereist het gebruik van een stralingapparaat en dierlijke preparaat kan moeten worden aangepast aan de behoeften van de bestraler apparaat voldoen. Tijdens de bestraling moet alleen het kleine gebied van de flank huid wordt blootgesteld aan de stralingsbundel. De stralingapparaat moet zich in een steriele faciliteit en passende kooi sterilisatie moet bij terugkeer muizen om hun steriele woonwijk worden aangehouden.

  1. Bereid de anesthesieapparaat (zoals in de stappen 4,1-4,2) en verdoven een muis op een moment in de inductie kamer voor de voorbereiding van het voor bestraling.
  2. Verwijder de muis uit de inductie kamer, genTLY knijpen de flank huid en plaats tape over en onder de uitgerekte huid, de vorming van een flap.
  3. Plaats de muis op een plexiglas en bestrijkt het lichaam met een custom lead jig (een werkend ontwerp een rechthoekige doos met de bodem en ten minste één uiteinde geopend, samen met een zijvenster om flank huid worden getrokken door). Trek de flap huid door de mal raam en voorzichtig tape de flap op het podium.
    OPMERKING: De aangepaste lead jig is klein genoeg om de muis te immobiliseren. Als de aangepaste mal de muis niet volledig immobiliseren, vervolgens aanvullende restrainers en / of toedienen van ketamine (80 - 100 mg / kg) en xylazine (10-12,5 mg / kg) via intraperitoneale injectie aan de muis geïmmobiliseerde het gehele bestraling houden procedure.
  4. Plaats het plexiglas podium met de mal en de muis in de bestraler. Bepaal de instellingen (skin afstand tussen röntgenbron, spanning, stroomsterkte en de duur) en leveren de gewenste dosis (bijvoorbeeld 11 cm van een 160 kVp x-röntgenbron gedurende 2,5 min bij 6,3 mA).
    LET OP: Wees voorzichtig met de röntgenbron door het volgen van richtlijnen voor gebruik van de machine om brandwonden en DNA-schade te voorkomen.
    LET OP: Athymische naakt muizen ontwikkelen vochtige desquamatie ongeveer 14 dagen na de bestraling in reactie op 35 Gy, maar slechts een kleine fragmentarisch afschilfering met 17 Gy.
  5. Neem het apparaat en de muis uit de stralingapparaat, verwijder de afscherming, verwijder de tape en plaats deze in een individueel herstel kooi. Zet de muis naar de normale gedeelde kooi nadat het uit de narcose is hersteld. Herhaal stap 5,2-5,4 voor alle muizen, en het uitvoeren van een schijnvertoning operatie op controle muizen.
  6. Na bestraling, het huis van de dieren in hun reguliere omstandigheden. Als abnormaal gedrag ontwikkelt (bijvoorbeeld gebogen houding, die pijn kan betekenen), raadpleeg dan een dierenarts om het probleem te diagnosticeren. Pijn verlichting kan het toedienen van 0,1 mg / kg buprenorfine subcutaan of zoals voorgeschreven door de dierenarts. Als gewichtsverlies meer dan 20% van de normale body massa, huis om afzonderlijk in een eigen kooi en zorgen voor een hoge voedingswaarde voedsel.

6. Follow-up DOS Metingen

  1. Controleren en meten huidreactie intensiteit van het gebruik van de kwantitatieve DOS-techniek. Visuele inspectie van veranderingen van de huid en het eerdere werk suggereren dat grote veranderingen in DOS parameters (ten opzichte van baseline) kan worden verwacht rond 6-12 dagen na bestraling 3,4. Echter, aangezien aanzienlijke veranderingen plaats, zelfs eerder of later kan duren, afhankelijk van het model, andere meettijd punten kan nuttig zijn om te onderzoeken zijn.
  2. Opzetten DOS-apparatuur en kalibraties zoals beschreven in paragraaf 3.Prepare het anesthesieapparaat en het verwerven van DOS metingen zoals beschreven in hoofdstuk 4.

7. Post-acquisitie Processing

LET OP: Alle stappen in het volgende hoofdstuk worden uitgevoerd met behulp van een aangepast programma gemaakt in een high performance software-omgeving. Gestandaardiseerde naming conventionen voor elke spectrale acquisitie bestand gebruikt om voor batchverwerking. Alle stappen worden geïllustreerd in figuur 2.

  1. Aftrekken van de basislijn (ruis) van de gemeten spectra inclusief achtergrondniveau.
  2. Aftrekken van de achtergrond te lezen, R bg (LED uit), verkregen in stap 3.3 van de meting spectrum, R MMO.
    LET OP: Voor de rest van dit artikel alle spectra worden aangenomen dat lawaai verdieping en achtergrond afgetrokken en aangeduid als R corr.
  3. Omzetten R corr absolute reflectie, R abs, zoals beschreven in de referenties 1,2 in paragraaf 1.
    1. Verkrijgen relatieve reflectiemetingen, Rrel in Intralipid 20%-fantomen (Fresenius Kabi, Zweden) fantomen met toenemende hoeveelheid 3% fracties tot 48% (bijvoorbeeld 3%, 6%, 9%, ..., 48%) en maken van de plot van Rrel versus Intralipid concentratie.
    2. Genereer een absolute plot van R abs versus &# 956; s 'door middel van diffusie vergelijking voor reflectie 14.
    3. Pas de piek van beide curves en pas de Rrel x-as naar de R abs x-as aan te passen.
    4. Bij een gegeven golflengte en de bron-detector scheiding De y-as met:
      figure-protocol-1
      OPMERKING: In de volgende paragraaf zullen alle passende metingen hebben betrekking op R abs.

8. spectrale gegevens Fitting

OPMERKING: Het volgende hoofdstuk beschrijft de theorie en de fitting algoritme gebruikt voor het extraheren van functionele parameters van muizen huid. Voor alle theorie gebruikt, raadpleegt u de volgende artikelen 14-18 en referenties daarin. Alle vergelijkingen worden verondersteld in een high-end wetenschappelijke software-omgeving (met voorgeprogrammeerde modules) vaak gebruikt in de natuurkunde of techniek labs te programmeren.

  1. Programmeer een functie die de een beschrijftbsorption spectrum, p bis (λ) van de huid als de som van de betreffende individuele chromoforen in het spectrale gebied plaats met de volgende formule:
    figure-protocol-2
    Hier, Hb is de totale hemoglobine concentratie (g / L), terwijl StO 2 is de eenheidsloze zuurstofverzadiging bereik 0-1.
  2. Verkrijgen oxy, figure-protocol-3 En deoxy, figure-protocol-4 , Hemoglobine spectra (opgeslagen als tekst bestanden) van de on-line collectie van Prahl 19.
  3. Programmeer een functie die de verstrooiing spectrum van de huid wordt beschreven, figure-protocol-5 , Met een machtswet afhankelijkheid, waarbij A (cm -1) is de waarde van μ s bij λ = o 1 nm en k een mediumonafhankelijk vermogensfactor16.
  4. Programmeer een wiskundige functie voor de voorwaartse model van diffuse reflectie op basis van vergelijkingen uit referentie 14 dat de spectrale vergelijkingen van Steps 8.2 op te nemen - 8,3 in de forward-model-functie (dat wil zeggen, R (r, p a (λ), p s '(λ )) = R (r, Hb, StO 2, A, k).
    LET OP: Terwijl de verschillende modellen bestaan, de steady-state diffusietheorie vergelijking biedt een eenvoudige en nauwkeurige omschrijving van de lichtverdeling in het weefsel.
  5. Programma een functie die vierkanten het verschil tussen de voorste gemodelleerde reflectiespectra van paragraaf 8.4 en de gemeten reflectie spectra.
  6. Iteratief veranderen Hb, StO 2, A en k tot de kleinste kwadraten verschil in sectie 8.5 het kleinst. Matlab lsqcurvefit kan worden gebruikt om deze stap automatisch.
  7. REPEAt stappen 8,5-8,6 DOS parameters verkrijgen (Hb, StO 2, A en k) voor gemeten reflectiecoëfficiënt gegevenssets.
  8. Plot van de relatieve verandering in DOS parameter met de overeenkomstige unieke nulmeting met behulp van het gemiddelde van de set van 3 elke muis's - 5 genormaliseerde sonde ter plaatse metingen. Deze percelen zijn gemaakt met behulp van MATLAB plot commando.

9. Visual Radiation dermatitis Scoring Periode

  1. Monitor en scoor huidreactie intensiteit met behulp van een kwalitatieve indeling schaal (zie Douglas en Fowler indelingsschema 20) na bestraling elke 48 uur (men kan ook veranderingen 3 waarnemen - 24 uur na bestraling). Twee onderzoekers geblindeerd zijn ideaal. Het verwerven van foto's met een hand-held camera en referentie-schaal (dat wil zeggen, heerser) kan helpen bij de evaluaties.
  2. LET OP: het scoren van de huid om de twee dagen na de bestraling kan helpen bij het bepalen optimale DOS meettijden for het model. Vaker scoren kan belangrijke gegevens opleveren, afhankelijk van het model en de onderzoeksvraag.
  3. Plot de mediaan van elke groep op elk tijdstip. Vergelijk groepen op specifieke tijdstippen of de mediane totale gebieden onder elke curve.
  4. Nadat muizen werden gevolgd tot het punt van huidgenezing dat wordt gewenst (bijvoorbeeld 4 weken), euthanaseren de muizen door een geschikt (goedgekeurd) methode.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De DOS reflectie techniek biedt een objectieve alternatief voor de traditionele kwalitatieve methoden voor het evalueren van de straling geïnduceerde toxiciteit huid. Visuele veranderingen in huidverschijning volgende toxische doses straling aanwezig als veranderingen in zowel de grootte en vorm van de gemeten reflectie spectra. Beide hebben betrekking op functionele veranderingen in de onderliggende cellulaire microstructuur en fysiologische toestand weefsel. In dit hoofdstuk worden representatieve resultaten van eerder gepubliceerd werk van Yohan et al. 2014 5 beoordeeld.

Figuur 3 (links) tonen representatieve spectra (dunne blauwe lijnen) gemeten op een 260 um source-scheiding in een athymische muismodel van de huid erythema 6 dagen na 40 Gy bestraling. Vergeleken met pre-bestraling (figuur 3, rechter paneel), zijn de verschillen in de spectrale vorm van ~ 550-650 nm waargenomen, likEly gevolg van een toename van geoxygeneerde hemoglobine. Een kleine toename in absolute reflectie wordt ook gezien dat correleert met een toename van weefsel verstrooiing macht. De waargenomen spectra op dag 6 na bestraling gecorreleerd aan een visuele huid score van 0,75.

Een evaluatie van de post bestraling reflectie veranderingen bij geselecteerde golflengten maakt geen gebruik van de volledige reflectie spectrum te maken en draagt ​​ook het potentieel probleem van de geluidsoverlast gevoeligheid. Echter, het aanbrengen van de volledige spectrum waarbij het ​​gehele gegevensset worden omgezet in intuïtieve optische biomarkers (Hb, StO 2). Figuur 3 tonen de verkregen past (groene lijn) van de meetgegevens (dunne lawaaierig lijn) met de vergelijkingen gepresenteerd in hoofdstuk 4. Uitstekende overeenkomst in acht wordt genomen, bevestigt dat de keuze van de basis chromoforen en verstrooiing vorm adequaat te beschrijven de muis huidmodel.

Door de niet-invasieve en zelfkalibrerende aard van het DOS systeem kunnen metingen geschikte wijze worden uitgevoerd over meerdere dagen in verschillende lichtomstandigheden Figuur 4 toont relatieve veranderingen in huid StO 2 voor diverse tijdstippen (6, 9, 12 dagen) in een bestraalde muis cohort (n = 8) terwijl figuur 5 toont de corresponderende kwalitatieve huidreactie scores. Een progressie StO 2 waargenomen dat statistisch verschillend vergeleken met pre-instralingswaarden over alle 3 dagen (p <0,05). Deze trends weerspiegelen de visueel waargenomen toename van de beschadiging van de huid ernst die piek op dag 12 (gemiddelde score van ~ 3) aan te tonen het potentieel van StO 2 als een visuele scoring surrogaat (Figuur 5).

Er zij opgemerkt dat er geen statistisch significante veranderingen werden waargenomen voor een van de geretourneerde optische biomarkers voorniet- bestraalde controlegroep (n = 3) gedurende de 12 dagen gemeten (data niet getoond). Veranderingen in A en k kan ook de tijd gevolgd (figuur 6) en deze geven aan dat de verstrooiing eigenschappen van de huid veranderen in reactie op de straling.

figure-results-1
Figuur 1. DOS instrumentatie. (A) Schematische weergave van de diffuse reflectie meting geometrie (B) Fiber-optische sonde. De optische sensor bestaat uit een lineaire array van 200 micrometer kern optische vezels die worden gebundeld in een 18 G metalen naald en afstand van 260 micrometer uit elkaar. Twee bron vezels zijn gekoppeld met twee breedband lichtemitterende diodes terwijl een detectie vezel is verbonden met een optische spectrometer. Door het sequentieel schakelen per bron, kan de spectrometer diffuse reflectie verzamelen op een afstand van 260 urn en520 pm van elk van de bron vezels (C) Complete DOS systeem zoals laptops, verbonden vezeloptische sonde en optische box. Een geautomatiseerd data acquisitie programma wordt gebruikt om de sequentiële verzameling spectra drijven. De elektronica is ondergebracht in een overname box die wordt aangesloten op de glasvezel-sonde via SMA-connectoren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
.. Figuur 2 Spectrale verwerking van alle x-as schalen in nm: (A) Het ruwe relatieve spectra, de basislijn is het lezen van ongeveer tussen 900 - 1000 nm en ongeveer gelijk aan de achtergrondsignaal (B) Relatieve achtergrondniveau (C.. ) Achtergrond en basislijn afgetrokken relatieve s pectra. (D) Absolutely gekalibreerd spectrum na schaling van verwerkte spectra getoond in (C). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-3
Figuur 3. Typische witte lichtreflectie spectra van de niet-bestraalde (links) en bestraald (rechts) de huid van muizen 6 dagen na bestraling. Uitstekende overeenkomst tussen de meting (luidruchtige blauw) en past (continu groen) werden meestal waargenomen. Twee belangrijke verschillen werden gezien tussen de twee groepen: 1) een algemene toename van de absolute reflectie en 2) een duidelijke verandering in de spectrale vorm tussen 550-600 nm. Met toestemming van Yohan et al. 2014 5.> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-4
Figuur 4. Verandering in de zuurstofvoorziening fractie van de muis huid na 40 Gy bestraling. De basislijn-genormaliseerde gemiddelde verschil tussen de twee groepen (per muis) is belangrijk voor Days 6 (box 1), 9 (box 2) en 12 (box 3 ). Met toestemming van Yohan et al. 2014 5. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-5
Figuur 5. Gemiddelde kwalitatieve huidreacties scores (n = 8) als een functie van dagen na 40 Gy bestraalde huid muizen. Aangepast van Yohan et al. 2014 5. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-6
Figuur 6. Relatieve veranderingen in A en k van de muis huid na 40 Gy bestraling op dagen 6 (box 1), 9 (box 2) en 12 (box 3). De verandering in A (linkerkant) en k (rechts) op dag 6 (Box 1, links en rechts) bleek significant (p <0,026) te zijn. Met toestemming van Yohan et al. 2014 5. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Een DOS benadering voor het kwantitatief beoordelen van straling de huid toxiciteit met behulp van optische biomarkers is gepresenteerd. Visual huid toxiciteit scoring systemen vereisen deskundige training en zelfs dan zijn gevoelig voor inter-observer variabiliteit en subjectiviteit. De DOS-systeem en analyse software is eenvoudig te gebruiken, vereist een minimale training en geeft objectieve functionele parameters voor het interpreteren van fysiologische veranderingen in de huid. Bovendien, in plaats van een beschrijving van het uiterlijk van een huid laesie als een enkele parameter, DOS biedt een schat aan informatie in spectrale vorm, optische eigenschappen en functionele / microstructurele parameters die een toegevoegde mate van gevoeligheid en specificiteit niet beschikbaar in de huidige kwalitatieve scoring methoden bieden. Secties 1 en 7 worden de belangrijkste verwerkingsstappen voor het verkrijgen van absolute spectrale gegevens die kunnen worden gebruikt voor kwantitatieve montage van optische biomarkers. Achtergrond en aftrekken van de basislijn zijn van vitaal belang om de gebruiker uit te voerende DOS-metingen onder normale lichtomstandigheden. Hoofdstuk 8 de nodige modellen en vergelijkingen nodig athymische muizen beschrijven voor en na X-ray bestraling. Hier is de keuze van geschikte absorptiemiddelen is essentieel voor een nauwkeurige beschrijving van de gemeten spectra. Het is aangeraden dat de gebruiker een grondig onderzoek in de literatuur de sleutel absorbers dat het golflengtegebied en weefsel van belang dat in een gegeven onderzoek voorafgaand aan de bouw van een optische biomarker passend model domineren. Tot slot, afdelingen 3-5 beschrijven de behandeling van de muizen zonder thymus tijdens DOS acquisitie. Om te voorkomen dat het verstoren van de lokale vaatstelsel, gebruik zachte kracht om de DOS-sonde te plaatsen op de muis huidoppervlak.

Terwijl relatief goedkoop in vergelijking met hyperspectrale camerasystemen 3,4, een duidelijke beperking van de beschreven DOS benadering is het gebruik van een sonde voor het meten van diffuse reflectie. Deze reflectie geometrie benodigdheden zachte aanraking met de huid enheeft het potentieel om meetonzekerheid voeren door het dispergeren van de vasculatuur als consistente probe-skin druk niet wordt toegepast. Toekomstige ontwerpen van de DOS-probe kan een druksensor te nemen om consistente resultaten te handhaven. Hoewel verder het gebruik van close bron-detector scheiding (<2-3 mm) maakt optische sondering specifieke diepten op het huidoppervlak, de verbeterde specificiteit komt met verlies van ruimtelijk oplossend vermogen in vergelijking met 2D hyperspectrale. Om deze beperking, een 5-punts kwadrant scan die vangt de totale bestraalde volume werd gebruikt te minimaliseren. Ondanks het gebrek aan ruimtelijke resolutie, heeft voorgaand werk in muizen 5 de mogelijkheid getoond van optische biomarkers gemiddeld over een dun gebied niet alleen bestraalde en niet-bestraalde huid, maar ook het effect van de huid sparende interventionele geneesmiddelen zoals Vasculotide 6 differentiëren.

Opgemerkt wordt dat terwijl de algemene systeemontwerp kan worden aangepast voor verschillende huid modellen, kan het nodig zijn de onderliggende basis spectra en verstrooiing vorm worden geoptimaliseerd. In het bijzonder, terwijl oxy- en deoxy-Hb goed beschrijven een athymische muismodel, de toepassing van hetzelfde model op een donkere huid kunnen de toevoeging van melanine voor een optimale montage vereisen. Bovendien, uitbreiding van de bandbreedte DOS hogere golflengten> 950 nm zou de toevoeging van water, die domineert bij hogere golflengten noodzakelijk. Bovendien kunnen dierlijke modellen met verschillende huid dikten een andere bron-detector scheiding nodig om diepte gevoeligheid te optimaliseren. Ten slotte is de haarloze functie maakt algoritmen eenvoudiger. Hoewel niet-haarloze modellen optimaal voor bepaalde onderzoeksvragen kunnen zijn, zullen ze ontharing voor DOS metingen, en irritatie van de huid van dit proces nodig hebben, kunnen de resultaten beïnvloeden. Voor onderzoek waar de totale immuunfunctie is cruciaal, een immunocompetente haarloze muis (bijv SKH-1) kan dienen als een beter model vanwege de euthymische aard.

ent "> Belangrijke overwegingen voor DOS probe metingen zijn consistent RT en de schatting van het bestraalde gebied. Temperatuurschommelingen van invloed kan zijn weefsel Hb en StO 2 niveaus. Het meten van een groep van 3 niet-bestraalde dieren bij elkaar verzamelen van gegevens tijd kan als basis te dienen onbedoelde omgevingschommelingen parameterwaarden kan worden genormaliseerd. Bovendien, het bestraalde gebied moeilijk in te schatten (indien huidflap preparaten waren niet consistent) voordat schade begint te manifesteren visueel rond dag 5 (40 Gy). Als met zwarte permanent marker om puntjes op de grenzen van de straling blootgestelde huid, vermijd overmatig gebruik van inkt aan de inkt vlekken, die lezingen in gevaar kunnen brengen te voorkomen.

Een extra kenmerk van het systeem is de mogelijkheid om absorptie te scheiden van verstrooiingseigenschappen. Terwijl alternatieve hyperspectrale beeldvormende systemen bieden ook de mogelijkheid om toezicht te houden OxyHb en Hb concentratie, de vrije ruimte geometrie van hyperspectrale beeldvorming i is niet in staat om verstrooiing veranderingen op te lossen. Deze beperking kan leiden tot onnauwkeurigheden in de geretourneerde OxyHb, Hb en StO 2 parameters als significante veranderingen in verstrooiing optreden als gevolg van erythema (roodheid). Verder kunnen de controle van de verstrooiing veranderingen met behulp van DOS extra optische biomarkers voor erythema evaluatie bieden. Zoals getoond in figuur 6, de eerste resultaten van Yohan et al. (2014) geven aan dat A en k tonen een tijdelijke trend volgend op ioniserende straling die niet correleert met tendensen uit andere alternatieve methoden zoals visuele scoring systemen. Dit geeft aan dat verstrooiing veranderingen niet manifesteren in een visueel beschrijvende wijze en kunnen in feite beschrijft een afzonderlijk biologisch proces. Daarom vergelijking met alternatieve methoden, DOS leverde een hoge resolutie voor oppervlakkige verstrooiing veranderingen, een weg voor het onderzoeken van nieuwe huidbeschadiging biomarkers die los staan ​​van de gebruikelijke Hb-metingen mogelijk.

jove_content "> Hoewel ons model gebruikt een grote interne stralingsdosis (in plaats van meerdere kleine gefractioneerde doses die worden gebruikt in de klinische setting) Dit bootst de pathofysiologie van acute menselijke huid radiotoxiciteit 21. Beoogd wordt dat verdere optimalisering kan DOS bieden een kwantitatieve benadering voor geautomatiseerde en gestandaardiseerde scoren van straling veroorzaakte reacties van de huid. Na het beheersen van deze techniek, toekomstige toepassingen kan omvatten het toezicht op de verschillen tussen de huid sparende therapieën (bijvoorbeeld het vergelijken van OxyHb niveaus tussen controle en experimentele behandeling voor de huid stralingsbescherming, of voor wondgenezing promotie ). Terwijl ideaal voor high-throughput screening van geneesmiddelen in diermodellen, het DOS systeem mogelijk aangepast aan de klinische omgeving vanwege het gemak van bruikbaarheid en het vermogen te meten onder normale lichtomstandigheden. in dit geval kunnen deze probes kleine wijzigingen vereisen met iets grotere optode scheidingen te verantwoordende toegenomen dikte van de huid. Een klinische DOS-systeem in staat zou stellen voor on-line evaluatie van interventionele therapieën die pijnlijke huidreacties kan minimaliseren en de comfort van de patiënt en de naleving. In de toekomst kan het interessant zijn om DOS-gebaseerde kwantificering uit te breiden naar de kenmerken van chronische straling veroorzaakte beschadiging van de huid (bijvoorbeeld fibrose).

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

This work was supported by research grants awarded to SKL from Abbott CARO (Canadian Association of Radiation Oncologists) Uro-Oncologic Radiation Awards and the Alan E. Tiffin Foundation. EK was supported by the Frederick Banting and Charles Best Canada Graduate Scholarship, the Scace Graduate Fellowship in Prostate Cancer Research and Paul Starita Graduate Student Fellowship.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Nude micee.g., Charles RiverAthymic nude Crl:NU(NCr)-Foxn1nu, or immunocompetent nude Crl:SKH1-Hrhr
Small animal irradiator e.g., Faxitron X-Ray Corp.Faxitron CP160
Animal anaesthesia If using isoflurane vaporizer machine with induction chamber, need tube and nose cone.
Lead jig and plexiglass stageCustom madeIf irradiator device exposes whole animal body to radiation, lead shielding must be used to expose only the skin flap.
Medical tape 
Permanent marker/ear puncher
MatlabMathworks Inc., Natick, MAWith StatisticsToolbox 
LabviewNational Instruments, Vaudreuil-Dorian, QB
DOS system
Optical multiplexerOcean Optics, Dunedin, FLModel MPM-2000
SpectrometerOcean Optics, Dunedin, FLModel S200
White light sourceOcean Optics, Dunedin, FLModel LS-1
Intralipid-20%Kabi Pharmacia, New York, NY
Reflectance standardINO, Quebec City, QB

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Radiobiology for the Radiologist. , J.B. Lippincott Company. Philadelphia. (2011).">Hall, E. J., Giaccia, A. J. Radiobiology for the Radiologist. , J.B. Lippincott Company. Philadelphia. (2011).
  2. Ionizing Radiation: The Good, the Bad, and the Ugly. J Invest Dermatol. 132, 985-993 (2012).">Ryan, J. L. Ionizing Radiation: The Good, the Bad, and the Ugly. J Invest Dermatol. 132, 985-993 (2012).
  3. Hyperspectral imaging for early detection of oxygenation and perfusion changes in irradiated skin. J Biomed Opt. 17 (2), (2012).">Chin, M. S., et al. Hyperspectral imaging for early detection of oxygenation and perfusion changes in irradiated skin. J Biomed Opt. 17 (2), (2012).
  4. Skin perfusion and oxygenation changes in radiation fibrosis. Plast. Reconstr. Surg. 131 (4), 707-716 (2013).">Chin, M. S., et al. Skin perfusion and oxygenation changes in radiation fibrosis. Plast. Reconstr. Surg. 131 (4), 707-716 (2013).
  5. Quantitative monitoring of radiation induced skin toxicities in nude mice using optical biomarkers measured from diffuse optical reflectance spectroscopy. Biomed. Opt. Express. 5 (5), 1309-1320 (2014).">Yohan, D. Quantitative monitoring of radiation induced skin toxicities in nude mice using optical biomarkers measured from diffuse optical reflectance spectroscopy. Biomed. Opt. Express. 5 (5), 1309-1320 (2014).
  6. Vasculotide, an Angiopoietin-1 mimetic reduces acute skin ionizing radiation damage in a preclinical mouse model. BMC Cancer. 14, 614(2014).">Korpela, E. Vasculotide, an Angiopoietin-1 mimetic reduces acute skin ionizing radiation damage in a preclinical mouse model. BMC Cancer. 14, 614(2014).
  7. In vivo documentation of cutaneous inflammation using spectral imaging. J. Biomed. Opt. 12 (5), 051603(2007).">Stamatas, G. N., Kollias, N. In vivo documentation of cutaneous inflammation using spectral imaging. J. Biomed. Opt. 12 (5), 051603(2007).
  8. Prognostic factors for acute and late skin reactions in radiotherapy patients. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 36, 1065-1075 (1995).">Turesson, I., Nyman, J., Holmberg, E., Oden, A. Prognostic factors for acute and late skin reactions in radiotherapy patients. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 36, 1065-1075 (1995).
  9. Evaluation of the effect of topical agents on radiation-induced skin disease by reflectance spectrophotometry. J. Pharm. Pharmacol. 62 (6), 779-785 (2010).">Rizza, L., D'Agostino, A., Girlando, A., Puglia, C. Evaluation of the effect of topical agents on radiation-induced skin disease by reflectance spectrophotometry. J. Pharm. Pharmacol. 62 (6), 779-785 (2010).
  10. Does aqueous or sucralfate cream affect the severity of erythematous radiation skin reactions? A randomised controlled trial. Radiother. Oncol. 73 (2), 153-162 (2004).">Wells, M., et al. Does aqueous or sucralfate cream affect the severity of erythematous radiation skin reactions? A randomised controlled trial. Radiother. Oncol. 73 (2), 153-162 (2004).
  11. The radiotherapeutic injury-a complex 'wound'. Radiother. Oncol. 63 (2), 129-145 (2002).">Denham, J. W., Hauer-Jensen, M. The radiotherapeutic injury-a complex 'wound'. Radiother. Oncol. 63 (2), 129-145 (2002).
  12. A fiberoptic reflectance probe with multiple source-collector separations to increase the dynamic range of derived tissue optical absorption and scattering coefficients. Opt. Express. 18, 5580-5594 (2010).">Kim, A., Roy, M., Dadani, F., Wilson, B. C. A fiberoptic reflectance probe with multiple source-collector separations to increase the dynamic range of derived tissue optical absorption and scattering coefficients. Opt. Express. 18, 5580-5594 (2010).
  13. Quantification of in vivo fluorescence decoupled from the effects of tissue optical properties using fiber-optic spectroscopy measurements. J. Biomed. Opt. 15, 067006(2010).">Kim, A., Khurana, M., Moriyama, Y., Wilson, B. C. Quantification of in vivo fluorescence decoupled from the effects of tissue optical properties using fiber-optic spectroscopy measurements. J. Biomed. Opt. 15, 067006(2010).
  14. A diffusion theory model of spatially resolved, steady-state diffuse reflectance for the noninvasive determination of tissue optical properties in vivo. Med. Phys. 19 (4), 879-888 (1992).">Farrell, T. J., Patterson, M. S., Wilson, B. C. A diffusion theory model of spatially resolved, steady-state diffuse reflectance for the noninvasive determination of tissue optical properties in vivo. Med. Phys. 19 (4), 879-888 (1992).
  15. Hemoglobin oxygen saturations in phantoms and in vivo from measurements of steady-state diffuse reflectance at a single, short source-detector separation. Med Phys. 31 (7), 1949-1959 (2004).">Finlay, J. C., Foster, T. H. Hemoglobin oxygen saturations in phantoms and in vivo from measurements of steady-state diffuse reflectance at a single, short source-detector separation. Med Phys. 31 (7), 1949-1959 (2004).
  16. Predictions and measurements of scattering and absorption over broad wavelength ranges in tissue phantoms. Appl Opt. 36, 949-957 (1997).">Mourant, J. R., Fusilier, T., Boyer, J., Johnson, T. M., Bigio, I. J. Predictions and measurements of scattering and absorption over broad wavelength ranges in tissue phantoms. Appl Opt. 36, 949-957 (1997).
  17. Uniqueness and wavelength optimization in continuous-wave multispectral diffuse optical tomography. Opt. Lett. 28, 2339-2341 (2003).">Corlu, A. Uniqueness and wavelength optimization in continuous-wave multispectral diffuse optical tomography. Opt. Lett. 28, 2339-2341 (2003).
  18. Interstitial point radiance spectroscopy of turbid media. J App Physics. 105, 102025(2009).">Chin, L., Lloyd, B., Whelan, W. M., Vitkin, A. Interstitial point radiance spectroscopy of turbid media. J App Physics. 105, 102025(2009).
  19. Tabulated Molar Extinction Coefficient for Hemoglobin in Water. , http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin/summary.html (1998).">Prahl, S. Tabulated Molar Extinction Coefficient for Hemoglobin in Water. , http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin/summary.html (1998).
  20. The effect of multiple small doses of X rays on skin reactions in the mouse and a basic interpretation. Radiat. Res. 178 (2), AV125-AV138 (1976).">Douglas, B. G., Fowler, J. F. The effect of multiple small doses of X rays on skin reactions in the mouse and a basic interpretation. Radiat. Res. 178 (2), AV125-AV138 (1976).
  21. Animal models for medical countermeasures to radiation exposure. Radiat. Res. 173 (4), 557-578 (2010).">Williams, J. P., et al. Animal models for medical countermeasures to radiation exposure. Radiat. Res. 173 (4), 557-578 (2010).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Diffuse Optical SpectroscopyRadiation Skin ToxicityMouse ModelQuantitative BiomarkerOptical ParametersSource Detector SeparationTissue Oxygen SaturationVisual ScoringRadiation TherapyPreclinical Model

Related Articles