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 dyfuzyjnej spektroskopii optycznej jest opracowanie ilościowego biomarkera do opisu ostrego rumienia wywołanego promieniowaniem. Metoda ta może być wykorzystywana w radioterapii jako biomarker predykcyjny do identyfikacji pacjentów z ryzykiem wystąpienia ciężkiej toksyczności skóry indukowanej promieniowaniem. Główną zaletą tej techniki jest zatem zapewnienie obiektywnego i systematycznego miernika do ilościowego określania toksyczności skóry po napromieniowaniu.
Zaprezentuję technikę dyfuzyjnej spektroskopii optycznej, a Elina, badaczka z laboratorium Loo, będzie zajmować się myszami. Włącz urządzenia elektroniczne i poczekaj na uruchomienie systemu. Następnie wyłącz wszystkie światła fluorescencyjne w pomieszczeniu i ustaw lampy żarowe w pewnej odległości od urządzenia pomiarowego, aby zapewnić odpowiednie oświetlenie miejsca pracy.
Następnie skonfiguruj instrument do pomiarów skóry mysiej. Ustaw parametry sygnału w następujący sposób. Ustaw czas zbierania danych na 25 milliseconds, liczbę uśrednień sygnału na 25 oraz szerokość filtra boxcar na jeden.
Parametry te zapewniają rozsądny kompromis między czasem akwizycji a stosunkiem sygnału do szumu. Następnie, korzystając z zaprogramowanego specjalnie oprogramowania do akwizycji, automatycznie wykonaj pomiar tła przy wyłączonej diodzie LED. Następnie wykonaj pomiar odbicia rozproszonego dla dwóch różnych odległości między źródłem a detektorem.
Wykonaj pierwszy pomiar przy 260 mikronach, a drugi przy 520 mikronach. Całkowity czas akwizycji powinien wynosić około dwóch sekund. Po znieczuleniu myszy przenieś ją do sterylizowanego obszaru badania DOS.
Ustaw zwierzę na boku i zabezpiecz jego pysk w stożku nosowym dostarczającym 2%gazu izofluranu w celu utrzymania znieczulenia. Następnie wysterylizuj sondę 70%etanolem, ale nie podejmuj prób sterylizacji skóry. Delikatnie przyłóż wysterylizowaną sondę do skóry na boku.
Nie naciskaj zbyt mocno, ponieważ nacisk sondy nie może doprowadzić do rozproszenia naczyń krwionośnych w tym obszarze. Trzymając sondę, pobierz dane o odbiciu z obszaru o boku dwóch centymetrów, który ma zostać poddany napromieniowaniu. Zbierz dane w układzie pięciu punktów, analogicznie do rozmieszczenia oczek na kostce do gry.
Zachowaj ten sam wzór i nacisk sondy we wszystkich kolejnych pomiarach. Po wykonaniu pomiarów umieść mysz w klatce rekonwalescencyjnej. Podczas regeneracji myszy powtórz procedurę u kolejnego zwierzęcia.
Niniejsza procedura została dostosowana do dostępnego naświetlacza. Należy ją zmodyfikować w razie potrzeby, aby naświetlić niewielki obszar skóry. Po znieczuleniu myszy należy delikatnie ująć skórę na jej boku i przytwierdzić rozciągniętą skórę taśmą, tworząc zakładkę.
Następnie umieść mysz na platformie z pleksiglasu i przykryj jej ciało specjalnie dopasowanym ołowianym szablonem. Użyj skrzynki ołowianej, która jest dostępna z dwóch stron i posiada okno umożliwiające naświetlanie skóry. Następnie przeciągnij płat skóry przez okno szablonu i przyklej go taśmą do platformy.
Jeśli mysz nie jest unieruchomiona w uchwycie, należy podać jej zastrzyk z anestetykiem. Następnie należy umieścić stół z uchwytem i myszą w irradiatorze. Obliczyć wymaganą dawkę napromieniowania.
Na przykład źródło promieniowania rentgenowskiego o szczytowym napięciu 160 kV, umieszczone w odległości 11 cm, odpowiednio naświetliłoby skórę przy natężeniu prądu 6,3 mA przez 2,5 minuty. Następnie podaj obliczoną dawkę. Po podaniu dawki zwierzę należy przenieść do klatki rekonwalescencyjnej.
Po wybudzeniu z narkozy, mysz należy przenieść z powrotem do wspólnej klatki. Myszy poddano napromieniowaniu i pomiarom zgodnie z opisem. Przed napromieniowaniem wykonano widmo bazowe z zachowaniem 260 mikronów odstępu od źródła w modelu skóry myszy atypowej.
Gruba zielona linia przedstawia dopasowanie matematyczne do cienkiej niebieskiej linii. W porównaniu z pomiarami wykonanymi sześć dni po naświetlaniu dawką 40 gray, zaobserwowano różnice w kształcie widma pomiędzy 550 a 600 nanometrów, co prawdopodobnie wynika ze wzrostu poziomu hemoglobiny utlenowanej. Odnotowano również niewielki wzrost bezwzględnej odbiciowości, co może być skorelowane ze zwiększeniem mocy rozproszenia tkanki.
Dopasowane dane dostarczają ilościowych biomarkerów optycznych, które można śledzić w funkcji czasu po napromieniowaniu. Na przykład pomiary wysycenia tkanek tlenem stopniowo wzrastały po naświetlaniu. Dane ilościowe te korelowały z wizualnym stopniem toksyczności skóry, który również sukcesywnie zwiększał się po napromieniowaniu.
Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo dobrze rozumieć, jak wykorzystać dyfuzyjną spektroskopię optyczną do ilościowej oceny toksyczności skóry wywołanej promieniowaniem. Po opanowaniu tej techniki badanie może zostać przeprowadzone w dwie lub trzy minuty, pod warunkiem zachowania prawidłowej procedury. Podczas wykonywania tego zabiegu ważne jest, aby delikatnie dociskać sondę DOS, aby uniknąć rozproszenia naczyń krwionośnych.
Technikę tę można wykorzystać w radioterapii jako sposób powiązania parametrów fizjologicznych w celu opisania odpowiedzi prawidłowej tkanki na promieniowanie.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia technikę dyfuzyjnej spektroskopii optycznej (DOS) służącą do ilościowej oceny reakcji skóry na promieniowanie, ze szczególnym uwzględnieniem ostrego rumienia popromiennego. Metoda ta ma na celu dostarczenie obiektywnych biomarkerów, które mogą pozwolić na prognozowanie toksyczności skóry u pacjentów poddawanych radioterapii.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Radioterapia
- Spektroskopia optyczna
Wstęp
- Ostre rumienie wywołane promieniowaniem są częstym skutkiem ubocznym radioterapii.
- Obecne metody oceny toksyczności skóry są często subiektywne.
- Dyfuzyjna spektroskopia optyczna oferuje nieinwazyjne podejście do pomiaru reakcji skóry.
- Technika ta może pomóc w identyfikacji pacjentów zagrożonych ciężkimi reakcjami skórnymi.
Cel badania
- Opracowanie ilościowego biomarkera toksyczności skóry indukowanej promieniowaniem.
- Zademonstrowanie techniki DOS w przedklinicznym modelu mysim.
- Ustanowienie systematycznej metody pomiaru reakcji skóry na promieniowanie.
Zastosowane metody
- Projekt aparatury do rozproszonej spektroskopii optycznej.
- Procedury postępowania ze zwierzętami w celu dokładnego gromadzenia danych.
- Pomiar odbicia skóry w określonych odległościach.
- Analiza biomarkerów optycznych po napromieniowaniu.
Główne wyniki
- Ilościowe biomarkery optyczne były pomyślnie monitorowane w czasie.
- Po napromieniowaniu zaobserwowano zwiększone wysycenie tkanek tlenem.
- Zmiany w kształcie widma korelowały z wizualną oceną toksyczności skóry.
- Technikę tę można sprawnie przeprowadzić w ciągu kilku minut.
Wnioski
- Dyfuzyjna spektroskopia optyczna zapewnia obiektywną metodę oceny radiotoksyczności skóry.
- Technika ta może usprawnić opiekę nad pacjentem w radioterapii.
- Konieczne są dalsze badania w celu walidacji tych wyników w warunkach klinicznych.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ilościowa ocena ostrej toksyczności skóry wywołanej promieniowaniem pozostaje krytyczną luką w translacyjnych badaniach nad radioterapią, co ogranicza pewność prognostyczną i obiektywną ocenę odpowiedzi tkanek zdrowych. Dyfuzyjna spektroskopia optyczna (DOS) oferuje powtarzalne, wysokoprzepustowe podejście do generowania funkcjonalnych biomarkerów optycznych, wspierając mechanistyczną redukcję ryzyka oraz walidację celów dla strategii interwencyjnych. Integracja metryk pochodzących z DOS z przepływami pracy przedklinicznymi i klinicznymi usprawnia podejmowanie decyzji dotyczących portfela badań oraz optymalizację rozwoju środków radioprotekcyjnych z uwzględnieniem ryzyka.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia obiektywną kwantyfikację toksyczności skóry wywołanej promieniowaniem w celu weryfikacji hipotez.
- Wspiera walidację funkcjonalną potencjalnych szlaków i celów zaangażowanych w odpowiedź tkankową.
- Ułatwia ograniczanie ryzyka mechanistycznego poprzez powiązanie parametrów fizjologicznych z uszkodzeniem popromiennym.
- Zwiększa pewność prognostyczną przy wyborze i selekcji związków interwencyjnych.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Zapewnia zestandaryzowane, ilościowe biomarkery optyczne do opracowywania testów.
- Umożliwia powtarzalny pomiar reakcji skóry w różnych kohortach eksperymentalnych.
- Wspiera wysokoprzepustowy screening kandydackich czynników radioprotekcyjnych w modelach przedklinicznych.
- Dostarcza ilościowe wyniki odpowiednie do porównań międzybadawczych i międzyplatformowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Umożliwia dopasowanie przedklinicznych wyników pomiaru biomarkerów do klinicznie istotnych punktów końcowych w ocenie toksyczności skóry.
- Umożliwia podłużne śledzenie odpowiedzi tkankowej, wspierając ciągłość translacyjną.
- Zmniejsza niejednoznaczność w ocenie skuteczności interwencji radioprotekcyjnych lub łagodzących.
- Wspiera podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju projektu z uwzględnieniem ryzyka w oparciu o ilościowe, obiektywne dane.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ilościowa ocena toksyczności skóry oparta na DOS wpisuje się w kontinuum od fazy odkrywania do badań przedklinicznych, stanowiąc pomost między wczesnymi badaniami mechanistycznymi a walidacją translacyjną strategii radioprotekcyjnych.
- Biologia odkryć: dostarcza obiektywnych mierników do testowania hipotez i wyjaśniania szlaków w odpowiedzi na promieniowanie.
- Screening: umożliwia uzyskanie powtarzalnych, ilościowych wyników testów do oceny związków.
- Analityka: zapewnia pomiary optycznych biomarkerów oraz porównania statystyczne odpowiedzi tkanek.
- Badania translacyjne: korelują przedkliniczne biomarkery optyczne z klinicznymi punktami końcowymi toksyczności skóry.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: tworzy skalowalną, ustandaryzowaną platformę dla bieżących badań z zakresu radiobiologii i oceny terapeutycznej.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną i zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach nad toksycznością promieniowania.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje i przyspiesza ilościową ocenę reakcji skóry w modelach przedklinicznych.
- Wartość strategiczna: Wspiera podejmowanie wiarygodnych decyzji typu go/no-go oraz efektywne kapitałowo wdrażanie kandydatów na leki radioprotekcyjne.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz porównywalność skuteczności interwencji pomiędzy poszczególnymi programami.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie spektroskopii optycznej i ilościowej analizy danych.
- Wymaga dedykowanej aparatury oraz kontrolowanych warunków oświetlenia w celu zapewnienia powtarzalności.
- Wymaga standaryzacji protokołów pomiarowych i interpretacji danych pomiędzy zespołami.
- Adaptacja do innych modeli tkankowych lub warunków klinicznych może wymagać optymalizacji protokołu.
- Ostrożna obsługa sondy jest niezbędna, aby uniknąć artefaktów wynikających z przemieszczenia lokalnych naczyń krwionośnych.
