Методическая статья

Методологическое внедрение систем облучения мелких животных для доклинических исследований с визуализационным контролем

52 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/71605

⸱

21 августа 2026 г.

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Radiation Oncology, WashU Medicine

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

В данном протоколе описывается методологическая реализация двух систем облучения мелких животных для доклинических радиационных исследований под визуальным контролем. В нем изложены конфигурация систем, рабочие процессы визуализации, процедуры планирования лечения и аспекты проведения облучения для обеспечения воспроизводимости и клинической значимости экспериментов на мелких животных.

Аннотация

Доклинические радиобиологические исследования имеют важное значение для углубления понимания того, как различные характеристики доставки излучения влияют на биологический ответ, а также для оптимизации стратегий лечения в различных целевых зонах. Точность, воспроизводимость и трансляционная значимость таких исследований зависят от надлежащего внедрения платформ для облучения мелких животных под контролем визуализации, которые точно моделируют клинические рабочие процессы лучевой терапии. В данной статье описывается практическая эксплуатация двух широко применяемых систем доклинической лучевой терапии с визуализационным контролем, используемых для высокоточного облучения мелких животных. Хотя обе платформы предназначены для проведения конформного облучения под контролем визуализации, они различаются по ключевым инженерным характеристикам, включая спецификации рентгеновской трубки, расстояние от источника до изоцентра (SAD), коллимацию пучка, механизмы экранирования, механическую геометрию и программное обеспечение для планирования лечения. Эти различия влияют на настройку системы, рабочие процессы облучения и проведение терапии. Описывая методологические аспекты и операционные процедуры для обеих платформ, данный протокол предоставляет исследователям практическое руководство по проектированию, реализации и воспроизведению трансляционно значимых доклинических экспериментов по облучению.

Введение

Рак входит в число основных причин смерти во всем мире1. Основными методами лечения рака являются лучевая терапия, хирургическое вмешательство и химиотерапия2. По оценкам, примерно половине всех онкологических больных для лечения требуется лучевая терапия3. Доклинические исследования на моделях животных, обычно направленные на оценку безопасности, биологических механизмов и терапевтической эффективности метода лечения, служат основой для разработки клинических испытаний с целью последующего внедрения новых стратегий лечения в клиническую практику. Иррадиаторы для мелких животных с системой визуального контроля стали незаменимыми инструментами в доклинической лучевой терапии, поскольку они обеспечивают конформное локальное облучение опухолей и органов риска (OARs) с использованием геометрии и рабочих процессов, призванных максимально приблизить подачу излучения и планирование лечения к клиническим условиям4,5,6. Согласно недавнему обзору7, количество статей по лучевой терапии мелких животных под визуальным контролем увеличилось с менее чем 10 в год в 2007–2010 годах до почти 80 в 2020 году. Статьи по физике и биологии охватывают темы от дозиметрии и планирования лечения до ответа опухоли и нормальных тканей7. Общая цель данного протокола — предоставить физически обоснованную базу для сравнения двух широко используемых платформ для облучения мелких животных, чтобы облегчить осознанный выбор платформы, обеспечивающей воспроизводимость и клиническую значимость доклинических радиационных исследований. Система 1 — это платформа для радиационных исследований мелких животных (SARRP), а Система 2 — платформа для прецизионной лучевой терапии мелких животных (SmART+). Обоснованием использования этих систем является то, что радиобиологические исследования все чаще требуют воспроизводимого таргетирования, локализации на основе компьютерной томографии (CT)8,9 и формирования поля облучения, которые обеспечивают превосходную конформность плана, позволяя при этом применять клинически значимые парадигмы, такие как гипофракционирование, облучение частичного объема и стратегии органосохранения. В лучевой терапии необходимо поддерживать тонкий баланс между дозой, подаваемой на мишень лечения, и OARs, что требует всестороннего понимания задействованных радиобиологических механизмов10,11. Для дальнейшего совершенствования понимания реакции раковых и здоровых тканей на облучение при использовании иррадиаторов для мелких животных в доклинических исследованиях необходимы высокая точность, воспроизводимость и прецизионность подачи дозы.

Хотя обе системы работают с рентгеновским излучением в диапазоне киловольт до 225 kVp, существуют ключевые различия в их конфигурации (см. Рисунок 1), которые могут потребовать особых условий для определенных экспериментов. Система 1 имеет расстояние от источника до оси (SAD) 35 cm и использует метод конусно-лучевой компьютерной томографии с вращением предметного столика, что требует вращения объекта во время сканирования. Система 2 имеет меньшее SAD, равное 30 cm, и использует систему подачи на базе гентри, при которой луч вращается вокруг объекта для проведения сканирования. На сегодняшний день Система 1 использовалась для облучения мышей и крыс, а Система 2 (включая более старые версии) — для облучения мышей, крыс и канареек12,13,14. Полный протокол визуализации, планирования и проведения лечения на этих системах занимает примерно 30 min на одно животное. Однако рабочий процесс может быть сокращен в зависимости от используемого протокола. Например, некоторые протоколы допускают использование одного общего плана для всех животных в группе, что позволяет исключить этап планирования лечения и сократить общее время эксперимента. Понимание того, как различия в облучателях влияют на мощность дозы, определение поля, геометрический зазор и ограничения рабочего процесса, дает основу для выбора системы, наилучшим образом соответствующей техническим и экспериментальным потребностям. Сводка основных физических и эксплуатационных характеристик Системы 1 и Системы 2 представлена в Таблице 1.

Представлено резюме общего рабочего процесса для типичного исследования с облучением мелких животных (см. Рисунок 2). В данном протоколе описывается методологическая реализация Системы 1 и Системы 2 для доклинических радиационных исследований под контролем визуализации. В нем изложены конфигурация систем, рабочие процессы визуализации, процедуры планирования лечения и аспекты проведения облучения для обеспечения воспроизводимости и клинической релевантности экспериментов на мелких животных.

Протокол

Все исследования на животных были проведены с одобрения Институционального комитета по уходу и использованию животных (IACUC). Используемые реагенты и оборудование перечислены в Таблице материалов.

1 Система 1

  1. Прогрев (17,5–72 мин)
    ПРИМЕЧАНИЕ: Во время установки и ввода в эксплуатацию сотрудник по радиационной безопасности (РБ) учреждения должен провести радиационный мониторинг, чтобы убедиться, что утечка излучения за пределами кабинета ниже пороговых значений дозы за любой один час и за любую одну неделю. Перед включением системы пользователь должен следовать инструкциям по радиационной безопасности, предоставленным сотрудником РБ учреждения.
    1. Установите ключ процессора модуля (MP1) в положение 0 (9 часов). На аппарате System 1 нажмите зеленую кнопку пуска (start). Включите переключатели освещения кабинета и лазеров. Поверните ключ MP1 в положение ожидания (12 часов).
    2. На контроллере регистрации данных MP1 может отобразиться 810 (17,5 мин) или 811 (72 мин), в зависимости от того, когда устройство использовалось в последний раз. Если программа прогрева не отображается, выберите Set и введите 810. Нажмите Enter.
    3. Вставьте медный фильтр 0,15 mm (см. Рисунок 3) в слот для фильтра на головке гентри. Вставьте коллиматор 0,5 mm в держатель и затяните винт для фиксации.
    4. Поверните ключ MP1 в положение высокой энергии (3 часа). Нажмите зеленую кнопку X-ray On, чтобы начать прогрев.
  2. Последовательность возврата в исходное положение и калибровка детектора (5 мин)
    1. Откройте Software 1 (см. Таблицу 1).
    2. Появится всплывающее окно с запросом на регулировку поворотного столика. Нажмите Ok и дождитесь перемещения столика в исходное положение.
    3. В Software 1 убедитесь, что флажок «Motors Enabled» отмечен.
    4. Дождитесь появления сообщения «Homing Complete».
    5. В разделе Imaging и Robotics Control введите 90 в поле запроса гентри (Gantry demand) и нажмите Move.
    6. Откройте дверь кабинета System 1. Сдвиньте вверх крышку окна КТ и вытяните блок КТ вперед до фиксации. Убедитесь, что с платформы удалены все ложементы. Сдвиньте коллиматор и держатель, чтобы извлечь их из головки гентри. Вставьте алюминиевый фильтр 1 mm для визуализации.
    7. В Software 1 в разделе Technique Presets выберите Mouse CT Imaging и нажмите Apply.
    8. На панели инструментов выберите Detector, а затем Detector calibration, чтобы начать калибровку.
  3. Конусно-лучевая КТ-визуализация мышей (10 мин, включая анестезию)
    1. Поместите мышь в камеру для анестезии в соответствии с утвержденным протоколом исследования.
    2. Откройте дверь кабинета. Установите ложемент на платформу и зафиксируйте его, затянув винт. Поместите подстилку для грызуна на ложемент и закрепите ее лентой. Подсоедините трубку с изофлураном к головке подстилки и включите подачу газа.
    3. Поместите мышь на подстилку в положении лежа на животе или на спине в соответствии с протоколом эксперимента.
    4. В Software 1 в разделе Imaging and Robotics Control выберите папку главного исследователя и исследование. Выберите CBCT Acquisition.
    5. Присвойте имя сканированию. Выберите желаемый протокол реконструкции, количество 2D-проекций (по умолчанию 360) и скорость ложемента (по умолчанию 1,5 deg/s). Нажмите OK. Следите за веб-камерой на экране программы, чтобы убедиться в отсутствии столкновений. Если столкновение кажется неизбежным, нажмите Stop, чтобы остановить гентри.
  4. Лечение (10 мин)
    1. После завершения визуализации закройте окно Software 2. Откройте Software 3. В разделе Experiment выберите папку главного исследователя. В разделе Scan выберите номер мыши и нажмите Load Reconstruction.
    2. Данные КЛКТ загрузятся в трех панелях. Нажмите Adjust Window. Нажав левую кнопку мыши, наведите курсор на изображение и сдвиньте его вниз и влево, чтобы настроить окно КТ.
    3. После настройки плотностей используйте правую кнопку мыши и потяните вниз, чтобы увеличить изображение. Нажмите кнопку прокрутки и перетащите для панорамирования. Чтобы оценить качество изображения, убедитесь, что вблизи мишени нет артефактов и что мишень может быть отделена от окружающих ОПЗ (органов риска). После этого нажмите Register.
    4. При использовании готового плана в разделе Select Reference Plan найдите и загрузите план, затем нажмите Create. При создании нового плана оставьте поле Select Reference Plan со значением None.
    5. Выберите Define Contours. В разделе Segmentation Thresholds настройте пороги сегментации для воздуха, легких, жира, тканей и кости. В разделе Edit Contours для каждого интересующего органа выберите Add и обведите орган с помощью инструмента Paint. Отрегулируйте диаметр кисти по желанию. Контур органа можно создавать послойно с последующей интерполяцией или с помощью инструмента сферической кисти.
    6. Выберите Treatment Planning. При использовании готового плана сдвиньте каждый изоцентр в центр органа-мишени и отрегулируйте его во всех трех проекциях. При создании нового плана в разделе Targets нажмите зеленый плюс для каждого желаемого изоцентра и переместите изоцентр к мишени.
    7. Для каждой мишени установите дозу, дважды щелкнув по полю Dose. В разделе Beams нажмите зеленый плюс с буквой B для добавления статического пучка или зеленый плюс с буквой A для добавления дуги. Установите вес пучка, коллиматор и угол гентри для каждого пучка. Чтобы добавить пучок для другого изоцентра, выберите этот изоцентр в разделе Targets (он будет подсвечен фиолетовым), а затем добавьте пучок.
    8. В разделе Dose выберите желаемый Dose Engine (Superposition Convolution или Monte Carlo). Нажмите Compute Dose.
    9. Выберите Verify. Нажмите Compute Isodoses и Compute DVH. Подтвердите, что план и
      ​ГДВ (гистограммы доза-объем) обеспечивают требуемую дозу для мишеней и ОПЗ (см. Рисунок 4).
    10. Откройте дверь кабинета. Извлеките алюминиевый фильтр и вставьте медный фильтр. Вставьте коллиматор в держатель и задвиньте блок обратно в головку гентри. Опустите крышку окна КТ и задвиньте ее назад до фиксации.
    11. Выберите Execute, а затем Execute Beam.
    12. В Software 1 появится всплывающее окно с целевым положением ложемента и гентри. Убедитесь, что поворот ложемента равен 0, чтобы избежать столкновения, и нажмите OK. В другом окне отобразятся размер коллиматора и тип фильтра. Нажмите OK, и пучок включится автоматически.
    13. Следите за веб-камерой в Software 1, чтобы убедиться в отсутствии столкновений.
    14. Если пучков несколько, после завершения подачи предыдущего пучка выберите Execute Beam и повторите шаг 1.4.11.
    15. Откройте дверь кабинета, снимите текущую мышь с подстилки и верните ее в клетку.
    16. Для работы со следующим животным повторите шаги 1.3 и 1.4.
  5. После лечения (3 мин)
    1. После лечения последнего животного в панели Imaging and Robotics Control установите угол гентри 90°, а все остальные поля перемещения — в 0. Нажмите Move. После завершения перемещения закройте ПО System 1. При появлении запроса на возврат платформы в исходное положение выберите Yes.
    2. Извлеките подстилку, коллиматор и фильтр из кабинета. Убедитесь, что крышка окна КТ закрыта и задвинута в положение хранения.
    3. Поверните ключ MP1 обратно в положение 0 (9 часов). Нажмите красную кнопку Stop на System 1.

2 Система 2

  1. Прогрев (35 мин)
    1. Во время установки и ввода в эксплуатацию ответственный за радиационную безопасность (RSO) учреждения должен провести радиационный контроль, чтобы убедиться, что утечка излучения за пределами кабинета ниже пороговых значений дозы за любой один час и дозы за любую одну неделю. Перед включением системы пользователь должен ознакомиться с инструкциями по радиационной безопасности, предоставленными RSO учреждения.
    2. Откройте дверцу кабинета и убедитесь, что на платформе нет кушетки, а к головке гентри не прикреплен коллиматор.
    3. На аппарате System 2 переведите ключи питания системы, а также освещения и лазеров в положение «вкл».
    4. Переведите ключ питания консоли в положение «вкл».
    5. На головке гентри откройте защелку слота для фильтра и вставьте медный фильтр 0,3 мм или алюминиевый фильтр 2 мм до щелчка (см. Рисунок 3).
    6. Откройте Software 4 и Webcam.
    7. Выберите X-Ray, Not treatment и Begin warmup как для основного (20 мин), так и для микрофокусного (15 мин) рентгеновского излучения.
  2. Конусно-лучевая КТ мышей (10 мин, включая анестезию)
    1. Поместите мышь в камеру для анестезии в соответствии с утвержденным протоколом исследования.
    2. Откройте дверцу кабинета. Если алюминиевый фильтр 2 мм еще не установлен, вставьте его в слот для фильтра.
    3. Закрепите кушетку на платформе, нажав на быстросъемный штифт и совместив его с отверстием в центре платформы.
    4. Закрепите ложе на кушетке с помощью ленты. Закрепите трубку с изофлураном на головке ложа лентой и включите подачу газа.
    5. Поместите мышь на ложе в положении на животе или на спине в соответствии с протоколом эксперимента.
    6. Откройте Software 5. В категории Radiation delivery выберите CT targeting с использованием ручного режима или протокола лечения.
    7. На странице выбора животного (Animal selection) выберите папку главного исследователя и исследования, а затем создайте новый файл для животного. Нажмите Next.
    8. В разделе Animal setup нажмите Next. Для типа скаута (Scout type) нажмите Skip.
    9. Выберите Preset selection в зависимости от типа целевой ткани и нажмите Next (по умолчанию для мягких тканей: 40 kV, 2 mA, 60 s).
    10. Убедитесь, что установлен соответствующий фильтр для планируемого качества пучка, и подтвердите, что индикатор состояния фильтра горит зеленым.
    11. Нажмите Start, чтобы начать КТ-сканирование. Затвор откроется и закроется автоматически.
    12. Используя Webcam, убедитесь, что гентри не столкнется с кушеткой или животным при вращении на 360°. Если столкновение кажется неизбежным, нажмите красную кнопку аварийного останова на консоли, и гентри остановится.
    13. По завершении КТ-сканирования нажмите Next. Полученное КТ-изображение будет представлено в виде трех панелей: коронарного, сагиттального и аксиального срезов. Используйте масштабирование и прокрутку полученных срезов на каждой панели для необходимых корректировок.
    14. С помощью мыши перетащите перекрестие в изоцентр мишени. Выберите Move Stage. При необходимости выберите Scan Again, чтобы проверить положение мишени. Нажмите Next.
    15. На странице Export нажмите Go для экспорта DICOM-файла.
    16. При создании нового плана лечения перейдите к шагу 4. При использовании существующего или ручного плана перейдите к шагу 5.
  3. Расширенное планирование лечения (10 мин)
    1. Откройте Software 6. Выберите папку, содержащую DICOM-файлы, и нажмите Import Selected Data.
    2. После загрузки DICOM перейдите на вкладку CT2MD.
    3. Передвигайте ползунок плотности до тех пор, пока не станут видны ткани грызуна.
    4. Перейдите на вкладку Contouring. Чтобы добавить контуры, выберите Add. Назовите контур и укажите его тип в выпадающем меню Type.
    5. Выберите нужный инструмент (кисть или линию) и установите режим Automatic. Закрасьте кистью или обведите нужный орган. Используйте полосу прокрутки для перемещения по кадрам и продолжите обводку органа. Обводка большего количества кадров может повысить точность интерполяции. После того как будет обведен последний кадр органа, выберите Interpolate.
    6. Снова просмотрите кадры, чтобы убедиться, что интерполяция обвела орган правильно, и исправьте любые отклонения в отдельных кадрах.
    7. Перейдите на вкладку Planning. Нажмите Add, чтобы добавить изоцентр в план. Совместите этот изоцентр с нужной мишенью в коронарной и аксиальной плоскостях и введите ожидаемую дозу (Gy) в изоцентре.
    8. Чтобы добавить пучки, выберите Add в разделе Beams. Выберите статический или динамический режим и настройте углы по желанию. При необходимости выберите угол кушетки. Выберите коллиматор в соответствии с параметрами планирования.
    9. В разделе Calculation выберите Start Calculations. Увеличение параметра histories/area повысит точность алгоритма. Дополнительные параметры Монте-Карло можно настроить по желанию, однако это выходит за рамки данного протокола. По завершении на экране отобразится Volume Slice. Перейдите на соответствующие вкладки, чтобы увидеть гистограмму доза-объем (DVH) и метрики доза-объем (DVM) (см. Рисунок 5).
    10. Вернитесь в раздел Planning, чтобы внести необходимые изменения.
    11. В разделе Evaluation проверьте время включения пучка, дозу в изоцентре, DVH и DVM.
    12. Выберите Export data. Присвойте имя файлу и выберите «Export to file» для создания .ini-файла.
  4. Лечение (10 мин)
    1. Откройте дверцу кабинета, извлеките алюминиевый фильтр 2 мм и установите медный фильтр 0,3 мм и коллиматор в соответствии с протоколом эксперимента.
    2. Вернитесь в программу System 2 Program.
    3. Для ручного протокола на экране конструктора лечения выберите spot size (малый или большой), фильтр (0,3 mm Cu), требуемое напряжение (kVp), ток (mA) и время облучения (s). Выберите размер и форму коллиматора (круглый, квадратный, прямоугольный или моторизованный). Выберите угол гентри. При желании добавьте параллельный противоположный пучок.
    4. Для протокола лечения на вкладке Protocol Selection нажмите Load Protocol и выберите .ini-файл из шага 4. Проверьте название плана и параметры, отметив поле «Show protocol details». Нажмите Next.
    5. Выберите Start Treatment, а затем Start Beam. Если пучков несколько, после подачи предыдущего пучка снова выберите Start Beam, чтобы начать следующий. Следите за изображением с веб-камеры, чтобы избежать столкновений.
    6. Откройте дверцу кабинета, снимите текущую мышь с ложа и верните ее в клетку.
    7. Для работы со следующим животным повторите шаги 2.2–2.4.
  5. Завершение работы (3 мин)
    1. После обработки последнего животного снимите ложе и кушетку с платформы. Извлеките фильтр и коллиматор из гентри.
    2. С помощью Software 4 верните гентри в положение 0° и платформу в положение (0 mm, 0 mm, 0 mm). Закройте дверцы кабинета. Закройте Software 5.
    3. Выключите питание консоли. На аппарате System 2 выключите освещение и лазеры, а затем переведите главный выключатель питания системы в выключенное положение.

Результаты

Рентгеновская трубка System 1 может генерировать напряжение 20–225 kVp с мощностью дозы 2.6 Gy/min на глубине 1 cm в фантоме из материала с водоэквивалентной толщиной при размере поля 10 × 10 mm2 и расстоянии от источника до поверхности (SSD) 33 cm. Слой половинного ослабления (HVL) пучка составляет 0.73 mm Cu при 220 kVp и 2.15 mm Al при 60 kVp15. Для коллимации в System 1 используются несколько латунных ступеней для уменьшения полутени. Два скользящих латунных блока используются для перекрытия выхода излучения во время генерации и стабилизации тока. Для облучения применяются сменные коллимационные сопла. Фильтры представляют собой листы меди толщиной 0.15 mm и алюминия толщиной 1 mm.

В качестве объектов облучения обычно используют мышей и крыс, а облучаемыми зонами являются сердце, печень, бок, легкие, поджелудочная железа, конечность, головной мозг и двенадцатиперстная кишка16,17. Ранее применявшиеся дозы варьировались от 0.2–60 Gy при использовании 1–6 пучков с сочетанием статических и дуговых типов облучения. Приведен пример плана лечения, предусматривающего дозу 2 Gy на весь головной мозг мыши (см. Рисунок 4). В плане лечения используется 1 пучок при угле гентри 0° с коллиматором 10 × 10 mm2. Верхний отдел спинного мозга был вручную обведен как орган с критической дозой (OAR), и гистограмма доза-объем (DVH) показывает, что примерно 20% OAR получают дозу 0.5 Gy.

Дверца кабинета System 1 оснащена окном со свинцовым эквивалентом для визуализации. Расстояние от источника до оси (SAD) в System 1 составляет 35 cm, а расстояние от источника до детектора (SDD) — 53 cm. При проведении КЛКТ-визуализации стол System 1 поворачивается на 360°. Это позволяет получить КЛКТ-изображение с точностью позиционирования около 0.2 mm18. После завершения процедуры System 1 генерирует лог-файл с данными о конфигурации пучка, включая количество пучков, положения стола и гентри, SSD, весовые коэффициенты пучков и время включения пучка (см. Рисунок 6). В файле также фиксируются координаты изоцентра, назначенная доза, идентификатор плана и соответствующие метаданные планирования, такие как названия контуров и значения порогов сегментации.

Рентгеновская трубка системы System 2 может генерировать напряжение от 10–225 kVp при мощности дозы 2.7 Gy/min на глубине 1 cm в фантоме из водоэквивалентного материала с использованием поля 10 × 10 mm2 и SSD 29 cm. HVL пучка составляет 0.95 mm Cu при 225 kVp и 2.8 mm Al при 100 kVp. Для коллимации система System 2 оснащена модульным коллиматором и держателем фильтров, прикрепленными к рентгеновской трубке. Коллиматоры содержат вторичные ограничители для уменьшения полутени с конусами из латуни и свинца. Расстояние от коллиматора до оси составляет 7 cm. Фильтры представляют собой листы меди толщиной 0.3 mm и алюминия толщиной 2 mm.

В качестве объектов облучения обычно используются мыши и крысы, а в качестве облучаемых участков — голова и шея19, сердце, бок, мозг, поджелудочная железа, почки и слюнная железа. Предыдущие дозы варьировались от 2–60 Gy с использованием 1–2 пучков и сочетания статических пучков и дугового облучения. Представлен пример плана лечения с назначением дозы 2 Gy на весь мозг мыши (см. Рисунок 5). В плане лечения используются 2 пучка под углами гентри 90° и 270° с коллиматором 10 × 10 mm2. Верхний отдел спинного мозга был вручную обведен как орган риска (OAR), и гистограмма доза-объем (DVH) показывает, что примерно 20% OAR receives 0.5 Gy.

Для системы System 2 расстояние от источника до изоцентра (SAD) составляет 30 cm, а расстояние от источника до детектора (SDD) — 62 cm. В системе System 2 гентри и окно КТ вращаются на 360° вокруг кушетки. Согласно данным производителя, это позволяет получить изображение КЛКТ с точностью совмещения 0,2 mm. После завершения процедуры System 2 формирует лог-файл с параметрами облучения, включая количество пучков, весовые коэффициенты пучков, время включения пучка, угол гентри и направление вращения, энергию пучка (kVp), ток трубки (mA), размер пятна, положение стола, а также материал и толщину фильтра. Также в файл включаются тип излучения и метаданные планирования.

Схема установки для лучевой терапии, КВКТ-визуализация, вращение гентри, алюминиевые/медные фильтры, использование коллиматора.
Рисунок 1: Конфигурации Системы 1 и Системы 2. На панелях (A–C) представлена Система 1, на панелях (D–F) — Система 2. (A,D) Виды каждой платформы снаружи с указанием размеров (высоты, ширины и глубины). (B,E) Внутренняя конфигурация во время визуализации, включая вращение стола (B) и вращение гентри (E). В Системе 1 (B) показана мышь под наркозом, в Системе 2 (E) — фантом мыши. (C,F) Внутренняя конфигурация во время проведения лечения, демонстрирующая установку для терапии с установленным коллимационным оборудованием в каждой системе. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Схема рабочего процесса исследования на грызунах; включает этапы подготовки, процедуры на аппаратуре и этапы последующей оценки.
Рисунок 2: Блок-схема, обобщающая полный экспериментальный рабочий процесс, разделенный на подготовительные мероприятия, процедуры на аппаратуре и последующую оценку. Стрелки указывают последовательность выполнения этапов рабочего процесса. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть этот рисунок в большем размере.

Экспериментальные установки для компонентов оптического измерения, включающие элементы спектроскопии и узлы в сборе.
Рисунок 3: Материалы, использованные для установки для лечения. На панелях (A–C) показаны компоненты Системы 1, а на панелях (D–F) — компоненты Системы 2. (A,D) Набор коллиматоров различных размеров и форм. (B,E) Стол/кровать для поддержки животного, используемые для позиционирования при визуализации и лечении. (C,F) Фильтры из Al и Cu. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дозо-объемная гистограмма и КТ-сканы; планирование лучевой терапии; анализ мозга и органов риска; график.
Рисунок 4: Виды оценки плана Системы 1. (A) Дозо-объемная гистограмма (DVH) для плана облучения всего головного мозга. Цель (зеленая линия) — весь головной мозг, орган риска (OAR, желтая линия) — верхний отдел спинного мозга. (B) Аксиальный (поперечный) срез рассчитанного распределения дозы, наложенный на набор изображений. (C) Сагиттальный срез рассчитанного распределения дозы. (D) Коронарный срез рассчитанного распределения дозы. Головной мозг обведен зеленым контуром, края пучка отмечены пурпурным цветом (B–D). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Доза-объемная гистограмма облучения и КТ-сканы для планирования лечения; показаны головной мозг и органы риска.
Рисунок 5: Виды оценки плана Система 2. (A) Доза-объемная гистограмма (DVH) для плана облучения всего головного мозга. Целевой объем (красная линия) — головной мозг, ОР (белая линия) — верхний отдел спинного мозга. (B) Аксиальный вид распределения дозы в вертикальной × латеральной плоскости. (C) Сагиттальный вид распределения дозы в вертикальной × продольной плоскости. (D) Корональный вид распределения дозы в латеральной × продольной плоскости. Траектория пучка показана синим цветом (B–D). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Отображение анализа данных лучевой терапии, слева — структура JSON, справа — таблица параметров пучка.
Рисунок 6: Файлы журналов лечения для Системы 2 и Системы 1. (A) Файл журнала Системы 1, содержащий аналогичную информацию о лечении и подаче пучка. (B) Файл журнала Системы 2, документирующий параметры лечения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Таблица 1: Сводка основных физических и эксплуатационных характеристик Системы 1 и Системы 2.Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать эту таблицу.

Обсуждение

Область лучевой терапии стремительно развивается, и, несмотря на многочисленные текущие клинические исследования, воспроизводимые и точные доклинические эксперименты имеют решающее значение для понимания радиобиологических механизмов, которые позволяют достичь желаемого конечного результата. Методы облучения мелких животных с использованием стационарных источников и облучение всего тела могут привести к нежелательной токсичности20. Появление облучателей для мелких животных с системой визуального контроля обеспечивает воспроизводимое воздействие на мишень и снижение доз облучения органов риска (OAR). Это позволяет имитировать параметры, близкие к лечению пациентов, и исследовать биологические механизмы с гораздо меньшим риском развития токсичности и гибели животных до завершения курса лечения и достижения необходимых конечных точек. Использование моделей мелких животных в фундаментальных и доклинических исследованиях стало базовой исследовательской моделью перед клиническим внедрением. Благодаря малому полю обзора и размеру детектора, системы облучения мелких животных могут достигать субмиллиметровой пространственной точности, которая превосходит или сопоставима с точностью терапевтических линейных ускорителей21. Кроме того, оборудование для лучевой терапии в онкологических клиниках зарезервировано для лечения пациентов в рабочее время, что ограничивает время, доступное для доклинических исследований на животных. В этом контексте облучатели для мелких животных предоставляют исследователям специализированную платформу для проведения радиобиологических исследований, не нарушая клинический рабочий процесс.

Обе системы, Система 1 и Система 2, позволяют проводить облучение мелких животных под контролем визуализации с высокой точностью и субмиллиметровой погрешностью22. Несмотря на сходство общего рабочего процесса обеих систем, критические различия между ними заключаются в методах сбора данных КЛКТ, качестве пучка и мощности дозы.

В обеих системах визуализация перед планированием выполняется с использованием Al-фильтра и без оборудования для коллимации пучка, в то время как подача терапевтического пучка осуществляется с использованием Cu-фильтра и через специализированное оборудование для формирования пучка. В связи с этим следует проявлять осторожность, чтобы убедиться в использовании правильного оборудования для коллимации пучка и соответствующего фильтра для каждой задачи. Фильтры в Системе 2 оснащены встроенными датчиками, которые взаимодействуют с программным обеспечением и отображают, какой из них установлен. Данная функция отсутствует в Системе 1, и блокировка облучения при установке неправильного фильтра не предусмотрена.

Для планирования лечения программное обеспечение System 1 позволяет использовать предыдущий план в качестве шаблона и рассчитывать новое время облучения пучком на основе недавно полученного КТ-скана. Эта функция отсутствует в System 2, что требует создания нового плана для каждого сканирования или использования параметров предыдущего плана, что заставляет искать баланс между точностью и пропускной способностью. Для обоих аппаратов одним из этапов с наибольшей неопределенностью является ручное контурирование, которое следует выполнять с осторожностью для обеспечения пространственной точности дозы в целевой области. Расчеты дозы при планировании лечения предполагают стабильность работы оборудования, поэтому для обоих аппаратов следует регулярно проводить процедуры контроля качества для оценки стабильности выходных характеристик. Если выходные показатели отклонились более чем на допустимый допуск, следует обратиться в компанию-поставщика для проведения необходимой калибровки. Контроль качества осуществляется в соответствии с рекомендациями поставщика и учреждения .

Для каждого животного требуются следующие ручные операции: замена алюминиевого и медного фильтров при переходе от визуализации к облучению, установка или замена коллиматора, позиционирование животного, облучение и извлечение животного. На данный момент нет сообщений об использовании автоматизированных средств в любой из систем для выполнения вышеупомянутых этапов. В Системе 1 панель КЛКТ также должна открываться или закрываться и перемещаться между этапами визуализации и лечения. Как упоминалось ранее, если протокол допускает больший предел погрешности, некоторые шаги могут быть пропущены для повышения эффективности. При использовании предыдущего или типового плана лечения этап планирования может быть опущен. Для работы с любым из аппаратов достаточно одного оператора. Однако эффективность рабочего процесса может быть повышена при участии дополнительного персонала. Например, один пользователь может сосредоточиться на управлении аппаратом и замене фильтра и коллиматора, в то время как другой будет контролировать состояние анестезии и осуществлять смену объектов.

Для обоих аппаратов потенциальной проблемой является возможность столкновения гентри со столом, так как такое столкновение может нарушить центровку изоцентра и потребовать повторного ввода в эксплуатацию. В связи с этим оба аппарата оснащены камерой, за которой необходимо следить при любом движении гентри. Если пользователь подозревает возможность столкновения гентри со столом, оператор должен немедленно нажать кнопку отключения рентгеновского излучения в программном обеспечении управления. Если система не реагирует или возникает опасность для оператора или субъекта, оператор должен нажать физическую красную кнопку аварийного останова. Это приведет к полному отключению питания системы. Затем пользователю следует сбросить кнопку и перезапустить систему. Поскольку субъект подвергся частичному облучению, оператору необходимо проконсультироваться с главным исследователем для определения дальнейшей тактики в отношении субъекта.

Другой потенциальной проблемой является неправильное облучение в случае установки неверного фильтра или коллиматора. Хотя этого можно избежать, проверяя настройки перед облучением каждого субъекта, неправильное облучение все же возможно, поскольку установка фильтра и коллиматора выполняется вручную и должна происходить в промежутке между визуализацией и лечением. Номер субъекта следует зафиксировать и сообщить главному исследователю для последующего мониторинга. Еще одна распространенная проблема — получение слишком высокой дозы органом риска (OAR) при планировании лечения. По аналогии с клиническими планами, следует внести изменения в параметры пучка, включая добавление дополнительных пучков под разными углами или переход к динамическому плану. Также может быть скорректировано положение субъекта на столе.

Обе системы обладают сопоставимым разрешением КЛКТ-визуализации, а также возможностью проведения микро-КТ, флюороскопии и биолюминесцентной визуализации, которые не рассматривались в данном протоколе. Система 1 оснащена моторизированным переменным коллиматором — специализированной системой коллимации, которая позволяет осуществлять конформное и некопланарное облучение, в то время как Система 2 оснащена автоматическим регулируемым коллиматором, создающим вращаемые прямоугольные поля. Для планирования лечения Система 1 может использоваться с Software 3, SmART-XPS или micro-Raystation. Система 2 совместима с Software 6 или micro-Raystation.

Описанный здесь протокол хорошо подходит для систематических радиобиологических исследований с использованием систем облучения мелких животных при стандартных мощностях дозы с пространственно однородными полями. Данный протокол не охватывает пространственно-фракционированную лучевую терапию (SFRT) и лучевую терапию со сверхвысокой мощностью дозы (UHDR), поскольку эти два аппарата не предназначены для таких исследований23. Компания-производитель Системы 1 разработала специализированную доклиническую платформу для исследований FLASH; в настоящее время ведется работа по валидации системы для исследований UHDR24. Компания-производитель Системы 2 также разработала новую кабельную систему для стандартного и UHDR облучения. Некоторые авторы работали над созданием новых коллиматоров для SFRT и изменением SSD для увеличения мощности дозы25,26,27. Будущее применение текущих систем включает оценку максимальных возможностей мощности дозы при уменьшенном SSD и дозиметрическое сравнение двух аппаратов с использованием одного и того же плана лечения. Дальнейшая работа может также включать оценку физических ограничений системы на других моделях мелких животных, например, на кроликах.

Раскрытие информации

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Данная работа была поддержана грантами S10OD020136-01 и S10OD036348-01. Авторы также выражают благодарность отделению радиационной онкологии WashU Medicine за поддержку данной работы.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
MuriPlan v3.0.0Программное обеспечение 3XstrahlMuriPlan
MuriSlice v3.2.6Программное обеспечение 2XstrahlMuriSlice
PilotXRadConsole v1.30.3.5Программное обеспечение 4Precision X-RayPilotXRadConsole
SARRP Control Software v4.3.1Программное обеспечение 1XstrahlSARRP CS
Small Animal Radiation Research PlatformСистема 1XstrahlSARRP
Small Animal Radiation Therapy SystemsСистема 2Precision X-RaySmART+
SmART+ v1.30.3.5Программное обеспечение 5Precision X-RaySmART+
SmART-Advanced Treatment Planning v24.1.3.240826Программное обеспечение 6Precision X-RaySmART-ATP

Ссылки

  1. Bray F, et al. Global cancer statistics 2022: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA Cancer J Clin. 2024;74(3):229-263.
  2. Miller KD, et al. Cancer treatment and survivorship statistics, 2022. CA Cancer J Clin. 2022;72(5):409-436.
  3. Atun R, et al. Expanding global access to radiotherapy. Lancet Oncol. 2015;16(10):1153-1186.
  4. Verhaegen F, Granton P, Tryggestad E. Small animal radiotherapy research platforms. Phys Med Biol. 2011;56(12):R55-R83.
  5. Tillner F, Thute P, Bütof R, Krause M, Enghardt W. Preclinical research in small animals using radiotherapy technology: a bidirectional translational approach. Z Med Phys. 2014;24(4):335-351.
  6. Pidikiti R, et al. Dosimetric characterization of an image-guided stereotactic small animal irradiator. Phys Med Biol. 2011;56(8):2585-2599.
  7. Brown KH, et al. A scoping review of small animal image-guided radiotherapy research: advances, impact and future opportunities in translational radiobiology. Clin Transl Radiat Oncol. 2022;34:112-119.
  8. Wong J, et al. High-resolution, small animal radiation research platform with X-ray tomographic guidance capabilities. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2008;71(5):1591-1599.
  9. Verhaegen F, van Hoof S, Granton PV, Trani D. A review of treatment planning for precision image-guided photon beam preclinical animal radiation studies. Z Med Phys. 2014;24(4):323-334.
  10. Foray N, Bourguignon M, Hamada N. Individual response to ionizing radiation. Mutat Res Rev Mutat Res. 2016;770(Pt B):369-386.
  11. Hall EJ, Giaccia AJ. Radiobiology for the Radiologist. 8th ed. Philadelphia (PA): Lippincott Williams & Wilkins; 2018.
  12. Bolcaen J, et al. MRI-guided 3D conformal arc micro-irradiation of a F98 glioblastoma rat model using the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). J Neurooncol. 2014;120(2):257-266.
  13. Yoon SW, et al. A precision 3D conformal treatment technique in rats: application to whole-brain radiotherapy with hippocampal avoidance. Med Phys. 2017;44(11):6008-6017.
  14. Chiver I, et al. Effects of the depletion of neural progenitors by focal X-ray irradiation on song production and perception in canaries. Sci Rep. 2023;13(1).
  15. Kampfer S, Duda MA, Dobiasch S, Combs SE, Wilkens JJ. A comprehensive and efficient quality assurance program for an image-guided small animal irradiation system. Z Med Phys. 2022;32(3):261-272.
  16. Seitzman BA, et al. Functional network disorganization and cognitive decline following fractionated whole-brain radiation in mice. GeroScience. 2024;46:543-562.
  17. LeMoyne Habimana-Griffin, et al. A novel focal duodenal radiation injury model reveals dose-, time-, and spatially dependent microbiome perturbations after radiation injury. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2026;125(2):590-602.
  18. Matinfar M, Ford E, Iordachita I, Wong J, Kazanzides P. Image-guided small animal radiation research platform: calibration of treatment beam alignment. Phys Med Biol. 2009;54(4):891-905.
  19. Ross RB, et al. PPARα agonism enhances immune response to radiotherapy while dietary oleic acid results in counteraction. Clin Cancer Res. 2024;30(9).
  20. Ghita M, Brown KH, Kelada OJ, Graves EE, Butterworth KT. Integrating small animal irradiators with functional imaging for advanced preclinical radiotherapy research. Cancers (Basel). 2019;11(2):170.
  21. Pokhrel D, Mallory R, Bernard ME. The spatial accuracy of ring-mounted Halcyon linac versus C-arm TrueBeam linac for single-isocenter/multi-target SBRT treatment. Med Dosim. 2023;48(3):170-175.
  22. Matinfar M, Ford E, Iordachita I, Wong J, Kazanzides P. Image-guided small animal radiation research platform: calibration of treatment beam alignment. Phys Med Biol. 2009;54(4):891-905.
  23. Ghaznavi H, Rezaee M, Reynoso F, Darafsheh A. Emerging strategies in radiation therapy: promises and challenges of spatial fractionation, ultra-high dose rates, and nanoparticles. J Phys D Appl Phys. 2025;58(41):413002.
  24. Tajik Mansoury MA, Sforza D, Wong J, Iordachita I, Rezaee M. Dosimetric commissioning of small animal FLASH radiation research platform. Phys Med Biol. 2025;70(11):115015.
  25. Sharma S, et al. Advanced small animal conformal radiation therapy device. Technol Cancer Res Treat. 2016;16(1):45-56.
  26. Sayler E, Dolney D, Avery S, Koch C. Shielding considerations for the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). Health Phys. 2013;104(5):471-480.
  27. Hill MA, et al. The development of technology for effective respiratory-gated irradiation using an image-guided small animal irradiator. Radiat Res. 2017;188(3):247-257.

Перепечатки и разрешения

Теги

Эта статья была опубликована

Видео скоро будет доступно

Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.