Dyfuzyjna spektroskopia optyczna do ilościowej oceny ostrej toksyczności skórnej wywołanej promieniowaniem jonizującym przy użyciu modelu mysiego
27 maja 2016
Prezentujemy metodę rozproszonej spektroskopii optycznej (DOS), która dostarcza ilościowych biomarkerów optycznych reakcji skóry na promieniowanie. Opisujemy projekt oprzyrządowania DOS, algorytmy ekstrakcji parametrów optycznych i procedury postępowania ze zwierzętami wymagane do uzyskania reprezentatywnych danych z przedklinicznego mysiego modelu rumienia wywołanego promieniowaniem.
Ogólnym celem tej techniki rozproszonej spektroskopii optycznej jest opracowanie ilościowego biomarkera do opisu ostrego rumienia wywołanego promieniowaniem. Metoda ta może być stosowana w radioterapii jako biomarker predykcyjny do identyfikacji pacjentów zagrożonych ciężką toksycznością popromienną skóry. Tak więc główną zaletą tej techniki jest to, że zapewnia obiektywną i systematyczną metrykę do ilościowego określania toksyczności promieniowania skórnego.
Ja zademonstruję technikę dyfuzyjnej spektroskopii optycznej, a Elina, badaczka z Loo Lab, zajmie się myszami. Włącz elektronikę i poczekaj, aż system się uruchomi. Następnie wyłącz wszystkie lampy fluorescencyjne w pomieszczeniu i ustaw żarówki w pewnej odległości od urządzenia pomiarowego, aby zapewnić oświetlenie robocze.
Następnie ustaw przyrząd do wykonywania pomiarów ze skóry myszy. Ustaw parametry sygnału w następujący sposób. Ustaw czas zbierania na 25 milisekund, ustaw średnie sygnał na 25 i ustaw szerokość filtra boxcar na jeden.
Parametry te zapewniają rozsądną równowagę między czasem akwizycji a stosunkiem sygnału do szumu. Następnie, korzystając z niestandardowego zaprogramowanego oprogramowania do akwizycji, automatycznie uzyskaj odczyt tła przy wyłączonej diodzie LED. Następnie uzyskaj odczyt z rozproszonym współczynnikiem odbicia w dwóch odległościach separacji detektora źródła.
Wykonaj jeden pomiar przy 260 mikronach, a drugi przy 520 mikronach. Całkowity czas akwizycji powinien wynosić około dwóch sekund. Po znieczuleniu myszy przenieś ją do wysterylizowanego obszaru sondowania DOS.
Ustaw go na boku i przymocuj pysk do stożka nosowego dostarczającego 2% izofluranu w celu utrzymania znieczulenia. Teraz wysterylizuj sondę 70% etanolem, ale nie próbuj sterylizować skóry. Delikatnie przyłóż wysterylizowaną sondę do skóry bocznej.
Nie naciskaj zbyt mocno, ponieważ miejscowe naczynia krwionośne nie mogą być rozproszone przez ciśnienie sondy. Trzymając sondę, uzyskaj dane dotyczące współczynnika odbicia na obszarze dwóch centymetrów kwadratowych, który ma być naświetlany. Zbieraj dane w formie pięciu kropek, jak na kości.
Utrzymuj ten wzór i ciśnienie sondy na stałym poziomie we wszystkich kolejnych pomiarach. Po wykonaniu pomiarów umieść mysz w klatce regeneracyjnej. Gdy mysz odzyska sprawność, powtórz procedurę na następnej myszy.
Procedura ta jest dostosowana do dostępnego promiennika. Dostosuj go w razie potrzeby, aby naświetlić niewielką część skóry. Po znieczuleniu myszy delikatnie uszczypnij trochę skóry na jej boku i przyklej rozciągniętą skórę, aby utworzyć płat.
Następnie umieść mysz na stoliku z pleksiglasu i przykryj jej korpus niestandardowym przyrządem ołowianym. Użyj pudełka na ołowia, które jest dostępne z dwóch stron i ma okienko do napromieniania skóry. Następnie przeciągnij płat skóry przez okienko przyrządu i przyklej klapkę do sceny.
Jeśli mysz nie jest unieruchomiona przez przyrząd, należy podać jej zastrzyk znieczulający. Następnie umieść stolik z przyrządem i myszą w promienniku. Obliczyć wymaganą dawkę napromieniania.
Na przykład źródło promieniowania rentgenowskiego o natężeniu 160 kilonapięciów umieszczone w odległości 11 centymetrów odpowiednio napromieniowałoby skórę o natężeniu 6,3 miliampera przez 2,5 minuty. Następnie należy podać obliczoną dawkę. Po podaniu dawki zwierzęciu należy umieścić je z powrotem w klatce regeneracyjnej.
Po wyzdrowieniu ze znieczulenia wróć do myszy do jej normalnej wspólnej klatki mieszkaniowej. Myszy zostały napromieniowane i zmierzone zgodnie z opisem. Przed napromienianiem pobrano widma podstawowe z separacją źródła o wielkości 260 mikronów w atymicznym mysim modelu skóry.
Gruba zielona linia pokazuje matematyczne dopasowanie cienkiej niebieskiej linii. W porównaniu z pomiarami wykonanymi sześć dni po napromieniowaniu 40 odcieniami szarości, zaobserwowano różnice w kształcie widma między 550 a 600 nanometrami, prawdopodobnie z powodu wzrostu natlenionej hemoglobiny. Obserwuje się również niewielki wzrost bezwzględnego współczynnika odbicia, który może być skorelowany ze wzrostem mocy rozpraszania tkanek.
Dopasowane dane zwracają ilościowe biomarkery optyczne, które można śledzić w funkcji czasu po napromieniowaniu. Na przykład pomiary nasycenia tkanek tlenem stopniowo zwiększały się po napromieniowaniu. Te dane ilościowe korelowały z wizualnym stopniem toksyczności dla skóry, który również stopniowo zwiększał się po napromienianiu.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak stosować rozproszoną spektroskopię optyczną do ilościowej oceny toksyczności promieniowania skórnego. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu dwóch lub trzech minut, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Podczas próby wykonania tej procedury ważne jest, aby delikatnie docisnąć sondę DOS, aby uniknąć rozproszenia układu krwionośnego.
Technika ta może być stosowana w dziedzinie radioterapii jako sposób łączenia parametrów fizjologicznych w opisie prawidłowej odpowiedzi tkanek na promieniowanie.
Przegląd
To badanie przedstawia technikę spektroskopii optycznej rozproszonej (DOS) do ilościowego określania reakcji skóry na promieniowanie, ze szczególnym skupieniem na ostrym rumieniu indukowanym promieniami. Metoda ma na celu dostarczenie obiektywnych biomarkerów, które mogą przewidywać toksyczność skóry u pacjentów poddawanych terapii promieniowej.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuronauki
- Terapia promieniowa
- Spektroskopia optyczna
Tło
- Ostry rumień indukowany promieniami jest częstym działaniem niepożądanym terapii promieniowej.
- Obecne metody oceny toksyczności skóry są często subiektywne.
- Spektroskopia optyczna rozproszona oferuje nieinwazyjne podejście do pomiaru reakcji skóry.
- Ta technika może pomóc w identyfikacji pacjentów zagrożonych ciężkimi reakcjami skóry.
Cel badania
- Rozwój ilościowego biomarkera toksyczności skóry indukowanej promieniami.
- Wykazanie techniki DOS w preklinicznym modelu mysi.
- Ustanowienie systematycznej metody pomiaru reakcji skóry na promieniowanie.
Zastosowane metody
- Projekt instrumentacji dla spektroskopii optycznej rozproszonej.
- Procedury obsługi zwierząt dla dokładnego zbierania danych.
- Pomiar odbicia skóry w określonych odległościach.
- Analiza biomarkerów optycznych po napromieniowaniu.
Główne wyniki
- Ilościowe biomarkery optyczne zostały pomyślnie śledzone w czasie.
- Obserwowano wzrost nasycenia tlenem tkanki po napromieniowaniu.
- Zmiany w kształcie spektrum korelowały z ocenami wizualnymi toksyczności skóry.
- Technika może być wykonana efektywnie w ciągu kilku minut.
Wnioski
- Spektroskopia optyczna rozproszona zapewnia obiektywną metodę oceny toksyczności skóry indukowanej promieniami.
- Technika może poprawić zarządzanie pacjentami w terapii promieniowej.
- Wymagane są dalsze badania w celu zweryfikowania tych wyników w warunkach klinicznych.
Często zadawane pytania
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.
