Method Article

Диффузный оптической спектроскопии для количественной оценки острой токсичности ионизирующей радиации, индуцированный кожи с помощью модели мыши

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

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

Мы представляем подход с использованием диффузного оптического спектроскопического (DOS), который предоставляет количественные оптические биомаркеры реакции кожи на излучение. Мы описываем конструкцию приборов DOS, алгоритмы извлечения оптических параметров и процедуры работы с животными, необходимые для получения репрезентативных данных доклинической мышиной модели радиационно-индуцированной эритемы.

Abstract

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

Острая кожная токсичность от ионизирующего излучения (ИК) является распространенным побочным эффектом терапевтических курсов дистанционной лучевой терапии (ЛТ) и негативно влияет на качество жизни пациента и долгосрочную выживаемость. Достижения в понимании биологических путей, связанных с токсичностью нормальных тканей, позволили разработать интервенционные препараты, однако текущие исследования ответа ограничены отсутствием количественных показателей для оценки тяжести кожных реакций. В данной работе мы представляем подход с использованием диффузной оптической спектроскопии (DOS), который позволяет получить количественные оптические биомаркеры реакции кожи на излучение. Описана приборная конструкция системы DOS, а также алгоритм инверсии для извлечения оптических параметров. Наконец, чтобы продемонстрировать клиническую полезность, мы представляем репрезентативные данные доклинической мышиной модели радиационно-индуцированной эритемы и сравниваем результаты с широко используемой визуальной оценкой. Описанный метод DOS предлагает объективную высокопроизводительную оценку кожной токсичности через функциональную реакцию, которая может быть перенесена в клинические условия.

Introduction

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

Технологические усовершенствования в лучевой терапии (RT) планирования и поставки в настоящее время обеспечивают высокую конформных терапевтических дозах, которые будут доставлены в области опухоли, в то время как одновременно щадящие нормальных окружающих структур. Тем не менее, острые и иногда тяжелые токсические неизбежны, когда целевая высокая доза находится в непосредственной близости к коже. Если тяжелой недостаточно, в результате чего нормальное повреждение ткани может негативно повлиять на результаты лечения RT и качество жизни пациентов 1,2.

Несмотря на негативным последствиям, нынешнее руководство эритемы излучения кожи остается неспецифической, используя кремы или мази, которые игнорируют основополагающие биологические механизмы, приводящие к повреждениям. Эти подходы основаны на минимизации симптомов, а не причины. Кроме того, сроки и введение интервенционной терапии осложняется качественного и субъективного характера оценки повреждения кожи радиации. Хотя некоторые призналиорганизации (RTOG, EORTC) обеспечивают визуальные рекомендации Оценивание, учреждения различаются по своему выбору предпочтительного скоринг, тем самым затемняя сравнения нормальных тканей токсичностью для целей мета-анализов. Кроме того, такие системы классификации являются грубыми и склонными к изменчивости между наблюдателями, таким образом, чтобы различия в степени тяжести лучевого поражения могут быть неразличимы в исследованиях по оценке стратегий снижения токсичности.

Вместо того, чтобы визуально описывающий степень эритемы в облученной кожи, альтернативный подход заключается в измерении параметров, которые количественно описывают основные физиологические изменения, которые происходят в органе. Гемоглобина крови (Hb), насыщение тканей кислородом (STO 2) или уровни оксигемоглобина (oxyHb) использовались в качестве прокси - серверов для облучения-облучением эритема у мышей 3-6. После облучения, уровни общего гемоглобина испытывают колебания, но oxyHb или StO 2 претерпевают характерный ранний резкий подъем, сопровождаемыйпадают и еще более стойкими рост 3,6. Когда раздражители используются , чтобы вызвать эритему кожи, сосудистые уровни oxyHb непосредственно коррелирует с тяжестью местного эритема и воспаления 7.

Диффузный оптической спектроскопии (ДОС) использует ближнего инфракрасного света, чтобы обеспечить функциональную информацию о биохимических и микроструктурных компонентов жизненно важных компонентов тканей. Это количественное, неинвазивным оптическая технология предлагает метод измерения цитокин-индуцированной вазодилатации в кровеносных сосудах , которые происходят во время эритемы с помощью функциональных суррогатами концентрации гемоглобина и STO 2. Недавние исследования , сравнивающие DOS измеренных параметров с контролируемых клинических методов подсчета очков 8-11 указывают на потенциал метода для преодоления ограничений , присущих текущей классификации системы.

Здесь мы опишем в доме, портативный, система DOS, которая использует функциональные суррогаты для количественного Detecting различия в кожной токсичности радиационно-индуцированной в доклинической модели мыши 5. Описываемая платформа может служить средством стандартизированной эритемы скоринга с высокой чувствительностью для раннего выявления и тонкой дифференциации интервенционной ответа наркотиков. Кроме того, лишь с незначительными изменениями, измерительная аппаратура может в конечном счете быть использованы клинически для мониторинга постели больного в режиме реального времени.

Protocol

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

Следующие методы в соответствии с руководящими принципами Комитета по Саннибрук научно-исследовательского института животноводства Care по вопросам этики.

Система 1. Диффузный отражательной спектроскопии

  1. Собирают диффузного спектров отражения с использованием портативных, волоконно-оптический зонд и портативная система сбора спектроскопического , которая была описана ранее (Kim и др. 2010) и кратко рассмотрены на рисунке 1 (и связанных с титрами) для полноты 1,2.

2. Подготовка мышиной модели острого лучевого повреждения кожи

  1. Заказ 6-недельных мышей (предпочтительно безволосые, такие как бестимусных или SKH-1) и дать им возможность акклиматизироваться в виварии в течение недели перед началом экспериментов. Резерв по крайней мере 3 мыши для необлученная контрольной группы и 5 мышей для облученной группы.
  2. До базовых измерений DOS и облучения, помечать мышей с помощью уха пунши или перманентный маркер мarkings на хвосте. Если мыши не обнаженная, удалить волосы на 2 см на 2 см участок боковой поверхности кожи, но это может вызвать раздражение кожи.

3. Диффузный Оптическая спектроскопия сбора данных

  1. Включите источник питания к электронике.
  2. Для кожи мыши, установить параметры сигналов для программного обеспечения сбора, набрав в 25 мс для времени сбора, 25 для средних значений сигналов и 1 для ширины фильтра товарный вагон. Эти параметры предлагают разумный баланс между временем сбора и сигнала к шуму.
  3. Использование пользовательских запрограммированный приобретение программного обеспечения, автоматически приобретают фоновое чтение, R BG (светодиод выключен) и диффузного отражения на двух расстояниях между источником и детектором, R тез (260 мкм, 520 мкм), нажав на кнопку "захватит». Общее время приобретения составляет ~ 2 сек.
  4. Выключите все флуоресцентные комнате свет, нажав на комнатного выключателя освещения перед выполнением измерений.
    Примечание: Fluorescлор свет в помещении мешают детектируемого сигнала (эти огни производят интенсивность света изменяющегося во времени и, таким образом, трудно вычитать в качестве фонового сигнала). Хотя могут быть использованы лампы накаливания держать свет на расстоянии от зонда DOS, чтобы избежать высоких фоновых уровней (и низкий уровень сигнала к шуму).

4. Животное наркозом и Baseline DOS Измерения

  1. Подготовьте машину анестезии, гарантируя, что все соединения исправны и жидкости изофлуран уровень является адекватным. Использование анестезии индукции камеры с прикрепленным трубкой и носового конуса, который может быть тесьмой вниз к стерилизованной, мягко мягкой поверхности в пределах удобной досягаемости зонда DOS.
  2. Анестезировать одну клетку мышей, в то время, в индукционной камере путем индукции с 4% изофлуран в течение 30 сек. Опустите изофлуран сумму до 2% в течение следующих 2 мин. Убедитесь в том, что мышь анестезировали не наблюдая никакого ответа от защемления палец ноги задней конечности.
  3. Быстропереместить одну мышь на стерилизованной DOS зондирующего области, поместите его на бок, закрепите его мордой в носовом обтекателе и открыть трубку носовой конус к потоку анестезии (2% изофлуран).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если процедура занимает больше времени, чем на 1 - 2 мин, нанесите мазь ветеринара на глаза, чтобы предотвратить сухость кожи.
  4. Перед приобретением измерения кожи мыши, стерилизует зонд, протирая 70% -ным этанолом. Не стерилизовать кожу.
  5. Поместите зонд осторожно на боковой поверхности кожи, убедившись, чтобы избежать рассеивания местного сосудистую сеть. Держа зонд вручную в течение продолжительности измерения.
  6. Приобретать данные отражательной способности путем зондирования участок кожи фланговую около 2 см на 2 см (площадь, которая будет облучаться), следуя 5-точечную формирование на фильеру. Держите этот зондирующий шаблон, площадь, датчик давления и сторону тела (левая или правая) последовательно для всех последующих измерений.
    ПРИМЕЧАНИЕ: полное сканирование занимает около 60 сек. Давление зонда должно быть достаточно, чтобы получить сканирование без диспергирующего лOCAL васкулатура.
  7. Переместить мышь в клетку восстановления, и перейти на следующий курсор к зондирующего области DOS. Повторите шаги 4.2 - 4.6, пока у всех мышей не были измерены. Не оставляйте животное без присмотра, пока он не пришел в сознание достаточное для поддержания грудины лежачее.

5. облучение животных

Примечание: Этот протокол требует использования облучателя, и подготовка животных, возможно, потребуется скорректировать, чтобы удовлетворить потребности облучающей устройства. Во время облучения, только малая площадь боковой поверхности кожи должны подвергаться воздействию пучка излучения. Облучатель должен быть расположен в стерильной объекте и соответствующей клетке стерилизации следует соблюдать при возвращении мышей в их стерильной зоне корпуса.

  1. Подготовьте анестезии машину (как на этапах 4.1 - 4.2) и анестезию одну мышь в то время в индукционной камере перед приготовлением его для облучения.
  2. Отключив мышь от индукции камеры, генTLY зажать флангом кожи и место ленту и ниже растянутой кожи, образуя лоскут.
  3. Поместите курсор на сцену из плексигласа и покрывают тело с индивидуальным свинцового кондуктор (рабочий дизайн представляет собой прямоугольный ящик с дном и, по меньшей мере, один конец открыт, наряду с боковым окном, чтобы позволить флангом коже протягивать через). Вытяните кожный лоскут через окно джиг и аккуратно заклеивание лоскут на сцену.
    Примечание: Обычай свинец джиг достаточно мал, чтобы обездвижить мышь. Если пользовательский кондуктор не полностью иммобилизации мышь, а затем использовать дополнительные restrainers и / или управлять кетамина (80 - 100 мг / кг) и ксилазина (10 - 12,5 мг / кг) с помощью внутрибрюшинной инъекции, чтобы держать мышь, иммобилизованного на протяжении всего облучения процедура.
  4. Поместите сцену из плексигласа с джиг и мыши в облучателя. Определите параметры (расстояние кожи от рентгеновского источника, напряжения, длительности и силе тока) и доставить требуемую дозу (например, 11 см от 160 кВп х-источник рентгеновского излучения в течение 2,5 мин при 6,3 мА).
    Примечание: Следует соблюдать осторожность с источником рентгеновского излучения, следуя рекомендациям использования машины во избежание ожогов и повреждений ДНК.
    Примечание: бестимусных голых мышей развиваются влажные шелушение вокруг через 14 дней после облучения в ответ на 35 Гр, но лишь незначительные неоднородными шелушение с 17 Гр.
  5. Возьмите аппарат и мышь из облучателя, снимите защитный кожух, удалите ленту и поместить его в индивидуальную клетку восстановления. Возвращает мышь к своей нормальной общей клетке после того, как он оправился от наркоза. Повторите шаги 5.2 - 5.4 для всех мышей, и выполнить операцию на фиктивный контрольных мышей.
  6. После облучения, дом животных в своих обычных условиях. Если ненормальное поведение развивается (например, выгибание спины, которая может означать боль), обратитесь к ветеринару , чтобы диагностировать проблему. Боль может включать в себя сокращение масштабов введение 0,1 мг / кг подкожно или бупренорфин по указанию ветеринарного врача. Если потеря веса превышает 20% от нормального Ьоды масса, это дом отдельно в своей клетке и дают пищу с высоким содержанием питательных веществ.

6. Последующие измерения DOS

  1. Мониторинг и измерения интенсивности реакции кожи, используя количественный метод DOS. Визуальный осмотр изменений кожи и предыдущей работы позволяют предположить , что большие изменения в параметрах DOS можно ожидать ( по отношению к исходному уровню) около 6 - 12 дней после облучения 3,4. Тем не менее, так как значительные изменения могут происходить даже раньше или позже, в зависимости от модели, другие точки измерения времени могут быть полезны для изучения.
  2. Настройка DOS оборудования и калибровки, как описано в разделе 3.Prepare обезболивание машины и приобрести измерения DOS, как описано в разделе 4.

7. после приобретения Обработка

Примечание: Все шаги в следующем разделе, выполняются с помощью пользовательской программы, созданной в среде программного обеспечения высокой производительности. Унифицированная именование монастырьИоны для каждого спектрального файла сбора используются для обеспечения пакетной обработки. Все шаги показаны на рисунке 2.

  1. Вычтите базовый уровень (минимальный уровень шума) от всех измеренных спектров, включая фонового чтения.
  2. Вычтите фоновое чтение, R BG (светодиод выключен), полученного на стадии 3.3 из спектра измерения, R тез.
    Примечание: В течение оставшейся части этой статьи все спектры предполагаются шума и фона , вычитаются и упоминается как R корр.
  3. Преобразование R Corr в абсолютной отражательной способностью , R абс, как описано в ссылках 1,2 в разделе 1.
    1. Получите относительные измерения отражательной способности , Rrel, в Интралипид-20% фантомов (Fresenius Kabi, Швеция) фантомы с увеличением 3% аликвотных фракций до 48% (т.е. 3%, 6%, 9%, ..., 48%) и создать из сюжета Rrel в зависимости от концентрации Intralipid.
    2. Генерировать абсолютный график R абс против &# 956; s ' с помощью уравнения диффузии для отражения 14.
    3. Матч пик обеих кривых и отрегулируйте Rrel ось х , чтобы соответствовать R абс ось х.
    4. При заданной длине волны и источник-детектор разделения, масштабировать ось ординат с помощью:
      figure-protocol-1
      Примечание: В следующем разделе, все фитинга измерений будет относиться к R абс.

8. Место спектральных данных

Примечание: В следующем разделе излагается теория и фитинга алгоритма, используемого для извлечения функциональных параметров кожи мышей. Для всей теории , используемой, обратитесь к следующим статьям 14-18 и ссылки в них. Все уравнения предполагаются быть запрограммированы в высоком конце научно-программной среде (содержащей предварительно запрограммированные модули) обычно используется в физике или инженерных лабораториях.

  1. Запрограммировать функцию, которая описывает Absorption спектр, мкА (Х) кожи в виде суммы соответствующих индивидуальных хромофоров в спектральном диапазоне интереса , используя уравнение:
    figure-protocol-2
    Здесь, H B является общая концентрация гемоглобина (г / л), в то время как StO 2 является безразмерный насыщение крови кислородом в пределах от 0 до 1.
  2. Получают Окси, figure-protocol-3 И дезокси, figure-protocol-4 , Гемоглобин спектры (хранятся в виде текстовых файлов) из коллекции он -лайн Праль 19.
  3. Запрограммировать функцию, которая описывает спектр рассеяния кожи, figure-protocol-5 , Используя степенной зависимости, где А (см -1) является значением μ s 'при Х о = 1 нм и к является зависящий от среды коэффициент мощности16.
  4. Программа математическая функция для прямой модели диффузного отражения на основе уравнений со ссылкой 14, включающих спектральные уравнения из шагов 8.2 - 8.3 в функции вперед модели (т.е., R (г, мкА (λ), ц S '(X )) = R (г, H B, STO 2, A, K).
    Примечание: В то время как различные модели существуют, стационарная теория диффузии уравнение обеспечивает простое и точное описание распределения света в ткани.
  5. Программа функция, которая возводит в квадрат разность между спектров отражения вперед по образцу из раздела 8.4 и измеренные спектры отражения.
  6. Итеративно изменить H B, STO 2, A и K до наименьшей разности квадратов функции в разделе 8.5 является наименьшим. lsqcurvefit Matlab могут быть использованы для автоматического выполнения этого шага.
  7. Repeaт шаги 8.5 - 8.6 для получения параметров DOS (H б, StO 2, A и K) для всех измеренных наборов данных отражательной способности .
  8. Участок относительное изменение параметра DOS с соответствующим уникальным базовым измерением, используя среднее значение набора каждой мыши из 3 - 5 нормированных измерений зонда спот. Эти участки создаются с помощью команды участка Matlab в.

9. Визуальный лучевых дерматитов Scoring Период

  1. Мониторинг и оценка интенсивности реакции кожи с использованием качественной шкалы классификации (см Douglas и Fowler оценочной шкалы 20) после облучения каждые 48 ч (можно также наблюдать за изменениями 3 - 24 часа в сутки после облучения). Два ослепил исследователи идеальны. Получение фотографий с камеры и эталонной шкалы ручной (т.е. линейка) может помочь с оценками.
  2. Примечание: Подсчет очков кожи каждые два дня после облучения может помочь определить оптимальные DOS времени измерения Foг модель. Более частое скоринг может дать важные данные в зависимости от модели и вопрос исследования.
  3. Участок медиану каждой группы в каждый момент времени. Сравнение групп в определенные моменты времени или медиана общей площади под каждой кривой.
  4. После того, как мышей были соблюдены до точки заживления кожи , что желательно (например, 4 -х недель), усыпить мышей соответствующей (утвержденной) методом.

Results

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

Метод отражательной DOS обеспечивает объективную альтернативу традиционным качественным методам оценки радиационной индуцированной токсичности кожи. Визуальные изменения внешнего вида кожи в результате токсических доз радиации, присутствующего в виде изменений в как по величине и форме измеренных спектров отражения. Оба связаны с функциональными изменениями в базовой сотовой микроструктуры и состояния физиологической ткани. В этом разделе репрезентативные результаты от ранее опубликованных работ по Йоан и др. 2014 5 рассматриваются.

На рисунке 3 (слева) показывают типичные спектры (тонкие синие линии) , измеренная при мкм-источника разделения в качестве бестимусной модели мыши эритема кожи через 6 дней после облучения 40 Гр 260. По сравнению с предварительным облучением (рисунок 3, правая панель), различия в форме спектра при ~ 550-650 нм наблюдаются, ЛикEly в связи с увеличением оксигемоглобина. Небольшое увеличение абсолютного коэффициента отражения также видно, что коррелирует с увеличением мощности рассеяния ткани. Наблюдаемые спектры на 6 день после облучения коррелирует с визуальным балла кожи 0,75.

Оценка изменений отражательной пост облучения при некоторых длинах волн не делает использование полного спектра отражения, а также несет потенциальную проблему чувствительности шума. Тем не менее, установка полного спектра позволяет весь набор данных , которые будут преобразованы в интуитивных оптических биомаркеров (H B, StO 2). На рисунке 3 показаны полученные припадки (сплошная зеленая линия) измеренных данных (тонкие шумные линии) с помощью уравнений , приведенных в разделе наблюдается 4. Превосходное соглашение, подтверждающее, что выбор базиса хромофоров и рассеяния форма адекватно описать модель кожи мыши.

Рисунок 4 показывает относительные изменения в коже StO 2 для различных временных точках (6, 9, 12 дней) в облученной когорты мышей (n = 8) , а на рисунке 5 показаны соответствующие качественные показатели реакции кожи. Прогрессивное увеличение STO 2 отмечено , что статистически отличается по сравнению с значениями до облучения в течение всех 3 -х дней (р <0,05). Эти тенденции отражают визуально наблюдаемое увеличение в серьезности повреждений кожи , что пик на 12 -й день (средний балл ~ 3) демонстрирует потенциал STO 2 в качестве визуального подсчета очков суррогата (рисунок 5).

Следует отметить, что статистически значимых изменений не было видно на какой-либо из возвращенных оптических биомаркеров для Информационногонеоблученный контрольной группы (n = 3) в течение 12 дней, измеренных (данные не показаны). Изменения в А и К , также можно контролировать с течением времени (рисунок 6), и они показывают , что рассеивающие свойства кожи меняются в ответ на излучение.

figure-results-1
Рисунок 1. DOS приборов. (А) Схематическое диффузного геометрии измерения отражательной способности (В) Волоконно-оптический зонд:. Оптический датчик состоит из линейного массива 200 мкм ядра оптических волокон , которые сгруппированы в 18 г металлической иглы и разнесенных 260 мкм друг от друга. Два исходных волокна соединены с двум широкополосным светодиодов в то время как волокна обнаружения соединен с оптическим спектрометром. Путем последовательного включения каждого из источников, спектрометр может собирать диффузного отражения на расстоянии 260 мкм и520 мкм от каждого из исходных волокон (C) Полная система DOS , включая ноутбук, прикрепленный волоконно-оптический датчик и оптические коробки:. Автоматизированная программа сбора данных используется для управления последовательного сбора спектров. Электронная система размещена в коробке сбора , который подключается к волоконно-оптическим зондом через разъемы SMA. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-2
.. Рисунок 2 Спектральная обработка Все весы х-оси в нм: (А) Сырое Относительные спектры, базовая линия является чтение приблизительно между 900 - 1000 нм и приблизительно равна фонового сигнала (В) Относительный фона чтения (С.. ) Предпосылки и базовая линия вычитается относительные S pectra. (D) Абсолютно откалиброван спектр следующий масштабирования обработанных спектров , показанных в (C). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-3
Рисунок 3. Типичные белого света спектры отражения необлученных (слева) и облученного (справа) кожи мыши 6 дней после облучения. Превосходное согласие между измерением (шумные синий) и припадков (твердый зеленый цвет), как правило , наблюдается. Две основные различия были замечены между двумя группами: 1) общее увеличение абсолютной отражательной способности и 2) Явное изменение формы спектра между 550 - 600 нм. С разрешения Йоан и др. 2014 5.> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-4
Рисунок 4. Изменение доли оксигенации кожи мыши следующие 40 Гр облучения. Исходные условия нормализованной средняя разница между этими двумя группами (на мышь) имеет большое значение для 6 дней (вставка 1), 9 (вставка 2) и 12 (вставка 3 ). С разрешения Yohan и др. 2014 5. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-5
Рисунок 5. Средние качественные реакции кожи оценки (N = 8) в зависимости от дней после 40 Гр облученных мышей кожи. Взято из Йоан и др. 2014 5. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-6
Рисунок 6. Относительные изменения в А и К кожи мыши следующие 40 Гр облучения на 6 дней (вставка 1), 9 (вставка 2) и 12 (Box 3). Изменение в А (левая сторона) и к (правая сторона) на 6-й день (Box 1, левая и правая стороны) оказалась значимой (р <0,026). С разрешения Yohan и др. 2014 5. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Discussion

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

Для DOS подход к количественной оценке токсичностью излучения кожи с использованием оптических биомаркеров было представлено. Системы визуальной токсичности кожи скоринг требуют подготовки специалистов и даже тогда склонны к изменчивости и субъективности между наблюдателями. Система и программное обеспечение для анализа DOS проста в использовании, требует минимальной подготовки и возвращает объективные функциональные параметры для интерпретации физиологических изменений в коже. Кроме того, вместо описания внешнего вида поражения кожи в качестве единственного параметра, DOS предоставляет огромное количество информации в спектральной формы, оптические свойства и функциональные / микроструктурных параметров, которые предлагают дополнительную степень чувствительности и специфичности не доступны в текущих качественных методов подсчета очков. Разделы 1 и 7 выделить основные этапы обработки для получения абсолютных спектральных данных, которые могут быть использованы для количественного подгонки оптических биомаркеров. Предпосылки и базовая Вычитание имеют жизненно важное значение, чтобы позволить пользователю выполнятьизмерения DOS при нормальных условиях освещения. Раздел 8 обеспечивает необходимые модели и уравнения, необходимые для описания бестимусных мышей до и после рентгеновского облучения. Здесь выбор соответствующих поглотителей имеет жизненно важное значение для точного описания измеренных спектров. Рекомендуется, чтобы пользователь тщательно исследовать в литературе основные поглотители, которые доминируют диапазон и ткани интереса, используемой в данном исследовании до построения модели фитинга оптической длины волны биомаркеров. И, наконец, разделы 3-5 описывают обработку бестимусных мышей во время сбора DOS. Для того, чтобы избежать нарушения локального сосудистую сеть, нежный усилие, чтобы поместить зонд DOS на поверхности кожи мыши.

В то время как относительно недорогой по сравнению с гиперспектральным систем камеры 3,4, четкое ограничение описанного DOS подхода является использование точечного зонда для измерения диффузного отражения. Эта геометрия отражательная способность первой необходимости нежный контакт с кожей иимеет потенциал, чтобы ввести погрешность измерения путем диспергирования сосудистую сеть, если это соответствует давлению зонда кожи не используется. Будущие проекты зонда DOS может включать в себя датчик давления для поддержания стабильных результатов. Кроме того, в то время как использование близкого разделения исходного детектора (<2-3 мм) позволяет оптического зондирования глубин, характерных для поверхности кожи, улучшенная специфичность происходит в потере пространственного разрешения по сравнению с 2D гиперспектральных изображений. Чтобы свести к минимуму это ограничение, квадранта сканирование 5-балльной, который фиксирует общий облучаемый объем был использован. Несмотря на отсутствие пространственного разрешения, предыдущая работа на мышах 5 показал способность оптических биомаркеров , усредненное по разреженной области , чтобы дифференцировать не только облученного и необлученного кожу , но и влияние кожи щадящей интервенционных препараты , такие как Vasculotide 6.

Следует отметить, что в то время как общая конструкция системы может быть изменена для различных кожи модели, подосновы спектров и рассеяния форма, возможно, должны быть оптимизированы. В частности, в то время как окси- и дезокси-нь хорошо описывают бестимусной модель мыши, применение той же модели к темной коже может потребоваться добавление меланина для оптимальной подгонки. Кроме того, расширение DOS высокой пропускной способности для более длинных волнах> 950 нм приведет к необходимости добавления воды, доминирующая на более высоких длинах волн. Кроме того, модели на животных с различной толщины кожи может требовать другого разделения источника на детекторе с целью оптимизации чувствительности глубины. И наконец, безволосое особенность делает алгоритмы проще. Несмотря на то, не лысые модели могут быть оптимальными для определенных научных вопросов, они будут требовать удаления волос перед измерениями DOS, и раздражение кожи от этого процесса может повлиять на результаты. Для исследований , где общая функции иммунной системы имеет решающее значение, иммунокомпетентного безволосой мыши (например, СХ-1) , могут служить в качестве лучшей модели из - за ее euthymic природы.

лор "> Важные соображения для зондовых измерений DOS соответствуют RT и оценка облученной области. Колебания температуры могут повлиять на 2 уровня ткани гемоглобина и STO. Измерение группы 3 необлученных животных в каждый момент времени сбора данных может служить в качестве основы для которая непреднамеренные экологические колебания значений параметров могут быть нормализованы. Кроме того, облученной области может быть трудно оценить (если кожный лоскут препараты не были совместимы), прежде чем повреждение начинает проявляться визуально около 5 суток (40 Гр). При использовании черной перманентным маркером для точка границы радиационно открытые участки кожи, избегать чрезмерного использования чернил для предотвращения смазывания чернил, которые могут поставить под угрозу показания.

Дополнительным свойством системы является способность отделить поглощение от рассеивающих свойств. В то время как альтернативные системы гиперспектральные визуализации также предоставляют возможность контролировать oxyHb и концентрацию гемоглобина, в свободном пространстве геометрии гиперспектральной I формирования изображения S не в состоянии разрешить изменения рассеяния. Это ограничение может привести к неточностям в возвращаемом oxyHb, Hb и STO 2 параметров , если значительные изменения в рассеянии происходят из - за эритемы (покраснения). Кроме того, мониторинг изменений рассеяния с использованием DOS может обеспечить дополнительные оптические биомаркеров для оценки эритемы. Как показано на рисунке 6, первые результаты от Yohan и др. (2014) показывают , что А и К демонстрируют временную тенденцию следующего ионизирующей радиации , которая не коррелирует с наблюдаемых тенденций от других альтернативных методов , таких как визуальные системы подсчета очков. Это указывает на то, что изменения рассеяния не проявляются в визуально описательной форме, а на самом деле может описывать отдельный биологический процесс. Таким образом, по сравнению с альтернативными методами, DOS обеспечивает высокое разрешение для поверхностных изменений рассеяния, аллею для исследования новых биомаркеров повреждения кожи, которые могут быть отделены от обычных измерений Hb основе.

jove_content "> Хотя наша модель использует большую разовую дозу излучения (а не несколько небольших фракционированных доз, которые используются в клинических условиях), это имитирует патофизиологии острой человеческой кожи радиотоксичностью 21. Предполагается , что при дальнейшей оптимизации, DOS может обеспечить количественный подход для автоматизированного и стандартизированного озвучивания радиационно - индуцированных кожных реакций. После освоения этой техники, будущие приложения могут включать в себя мониторинг различий между кожей щадящих терапевтических средств (например, сравнивая уровни oxyHb между контрольной и экспериментальной терапии для радиозащиты кожи, или для заживления ран продвижения ). в то время как идеально подходит для высокопроизводительного скрининга лекарственных средств на животных моделях, система DOS потенциально адаптируется к клинической среде из-за легкости удобства и возможности измерения в нормальных условиях освещения. в этом случае конструкция зонда может потребовать незначительных модификаций с немного больше разделений optode для учетаувеличенная толщина кожи человека. Клиническая система DOS позволила бы он-лайн оценки интервенционных методов лечения, которые могли бы свести к минимуму болезненные кожные реакции и улучшить комфорт пациента и соблюдения. В будущем, это может быть интересно расширить количественно оценить DOS на основе особенностям хронического радиационного индуцированного повреждения кожи (например, фиброз).

Disclosures

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

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgements

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

Эта работа была поддержана исследовательскими грантами, присужденными SKL от Abbott CARO (Канадская ассоциация радиационных онкологов), премией за уроонкологическое излучение и Фондом Алана Э. Тиффина. EK была поддержана стипендией Фредерика Бантинга и Чарльза Беста для выпускников Канады, стипендией Scace для выпускников в области исследований рака предстательной железы и стипендией для аспирантов Пола Стариты.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Обнаженные мышиe.com., Charles RiverAthymic nude Crl:NU(NCr)-Foxn1nu, или иммунокомпетентные обнаженные Crl:SKH1-Hrhr
Облучатель мелких животных e., Faxitron X-Ray Corp.Факситрон CP160
для анестезии животных При использовании испарителя изофлурана с индукционной камерой, необходима трубка и носовой обтекатель.
Свинцовый джиг и сцена из плексигласаизготовлены на заказЕсли облучательное устройство подвергает облучению все тело животного, необходимо использовать свинцовую защиту, чтобы обнажить только лоскут кожи.
Медицинская лента 
Перманентный маркер/ушной перфоратор
MatlabMathworks Inc., Натик, Массачусетсс StatisticsToolbox 
LabviewNational Instruments, Водрей-Дориан,
DOS
Оптический мультиплексорОкеаническая оптика, Данидин, FLМодель MPM-2000
СпектрометрОкеанская оптика, Данидин, FLМодель S200
Белый источник светаОкеанская оптика, Данидин, FLМодель LS-1
Интралипид-20%Kabi Pharmacia, Нью-Йорк, Нью-Йорк
Стандарт отраженияINO, Квебек, Квебек
система 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