Tissue-simulering Phantoms til vurdering af potentielle nærinfrarøde fluorescensimagografi Applications i Breast Cancer Surgery
Summary
Near-infrared fluorescence (NIRF) imaging may improve therapeutic outcome of breast cancer surgery by enabling intraoperative tumor localization and evaluation of surgical margin status. Using tissue-simulating breast phantoms containing fluorescent tumor-simulating inclusions, potential clinical applications of NIRF imaging in breast cancer patients can be assessed for standardization and training purposes.
Abstract
Unøjagtigheder i intraoperativ tumorlokalisering og evaluering af kirurgisk margin status resultat i suboptimal resultat af brystbevarende operation (BCS). Optisk billeddannelse, især nær-infrarødt fluorescens (NIRF) billeddannelse, kan reducere hyppigheden af positive kirurgiske margener efter BCS ved at give kirurgen med et værktøj til præ-og intraoperativ tumorlokalisering i real-tid. I den aktuelle undersøgelse, er potentialet i NIRF-styrede BCS evalueret ved brug vævsbaseret simulerer bryst fantomer af hensyn til formål standardisering og uddannelse.
Breast fantomer med optiske egenskaber svarende til dem af normalt brystvæv blev brugt til at simulere brystbevarende kirurgi. Tumor-simulering inklusioner indeholdende det fluorescerende farvestof indocyaningrønt (ICG) blev indarbejdet i fantomer på foruddefinerede placeringer og filmede til præ-og intraoperativ tumorlokalisering, real-time NIRF guidet tumorresektion, NIRF-styretvurdering af omfanget af operationen, og postoperativ vurdering af kirurgiske margener. En skræddersyet NIRF kamera blev anvendt som en klinisk prototype til billeddannende formål.
Breast fantomer indeholder tumor-simulerende inklusioner tilbyder en enkel, billig og alsidigt værktøj til at simulere og evaluere intraoperativ tumorafbildning. De gelatinøse fantomer har elastiske egenskaber, der svarer til humant væv og kan skæres ved anvendelse af konventionelle kirurgiske instrumenter. Desuden fantomer indeholder hæmoglobin og Intralipid til efterligne absorption og spredning af fotoner henholdsvis skabe ensartede optiske egenskaber svarende til væv menneskelige bryst. Den største ulempe ved NIRF billeddannelse er den begrænsede indtrængningsdybde af fotoner, når formerings gennem væv, hvilket hindrer (invasiv) billeddannelse af dybtliggende tumorer med epi-belysnings strategier.
Introduction
Brystbevarende operation (BCS) efterfulgt af strålebehandling er standard behandling for brystkræftpatienter med T 1 -T 2 brystcarcinom 1,2. Unøjagtigheder i intraoperativ vurdering af omfanget af kirurgi resultere i positive kirurgiske margener i 20 til 40% af de patienter, som gennemgik BCS, hvilket nødvendiggør yderligere kirurgiske indgreb eller strålebehandling 3,4,5. Selv om omfattende resektion af tilstødende sundt brystvæv kunne reducere hyppigheden af positive kirurgiske margener, vil dette også hæmme kosmetisk resultat og øge komorbiditet 6,7. Er derfor behov for nye teknikker, som giver intraoperativ tilbagemelding på placeringen af den primære tumor og omfanget af operationen. Optisk billeddannelse, især nær-infrarødt fluorescens (NIRF) billeddannelse, kan reducere hyppigheden af positive kirurgiske margener efter BCS ved at give kirurgen med et værktøj til præ-og intraoperativ tumorlokalisering i Real-tid. For nylig, vores gruppe rapporteret om den første i-humane forsøg tumor målrettet fluorescensimagografi i ovariecancerpatienter, der viser muligheden af denne teknik til at opdage primære tumorer og intraperitoneale metastaser med høj følsomhed 8. Inden vi går videre til kliniske undersøgelser i brystkræftpatienter dog gennemførligheden af de forskellige tumor-målrettede NIRF billedbehandlingsprogrammer i BCS kan allerede evalueres præklinisk hjælp fantomer.
Følgende forsøgsprotokollen beskriver brugen af NIRF billedbehandling i væv simulerer bryst fantomer indeholdende fluorescerende tumor-simulering inklusioner 9. De fantomer tilvejebringe en billig og alsidigt værktøj til at simulere før og intraoperativ tumorlokalisering realtid NIRF guidet tumorresektion, vurdering af den kirurgiske kantstatus, og detektion af tilbageværende sygdom. De gelatinøse fantomer har elastiske egenskaber, der svarer til humant væv og kan skæres ved hjælp af konventionelle filtreurgical instrumenter. Under simuleret kirurgisk procedure, er kirurgen styret af taktil information (i tilfælde af følbare indeslutninger) og visuel inspektion af operationsfeltet. Desuden er NIRF billeddannelse anvendes til at give kirurgen realtid intraoperativ tilbagemelding om omfanget af kirurgi.
Det skal understreges, at NIRF billeddannelse kræver anvendelse af fluorescerende farvestoffer. Ideelt set bør fluorescerende farvestoffer anvendes der udsender fotoner i det nær-infrarøde spektralområde (650-900 nm) for at minimere absorption og spredning af fotoner af molekyler fysiologisk rigelige i væv (fx hæmoglobin, lipider, elastin, collagen og vand) 10,11. Desuden autofluorescens (dvs. den iboende fluorescens aktivitet i vævene på grund af biokemiske reaktioner i levende celler) er minimeret i den nær-infrarøde spektralområde, hvilket resulterer i optimale tumor-til-baggrund-forhold 11. Ved konjugering NIRF farvestoffer til tumor-udsigt til rentenedsættelserted dele (fx monoklonale antistoffer), kan målrettet levering af fluorescerende farvestoffer opnås for intraoperative billedbehandling.
Da det menneskelige øje er ufølsom over for lys i det nær-infrarøde spektrale område, er et meget følsomt kamera anordning kræves for NIRF billeddannelse. Adskillige NIRF billeddannende systemer til intraoperativ brug har hidtil 12 blevet udviklet. I den aktuelle undersøgelse, brugte vi en brugerdefineret bygge NIRF imaging system, der blev udviklet til intraoperativ anvendelse i samarbejde med det tekniske universitet i München. Systemet giver mulighed for samtidig erhvervelse af farvebilleder og fluorescens billeder. For at forbedre nøjagtigheden af fluorescensbilleder er en ordning korrektion implementeret for variationer i lysintensitet i væv. En detaljeret beskrivelse er leveret af Themelis et al. 13
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi simulerede potentielle kliniske anvendelser af NIRF-styrede BCS ved anvendelse af bryst-formede fantomer med integrerede tumor-simulerende inklusioner. Intraoperativ tumorlokalisering, NIRF guidet tumorresektion, evaluering af omfanget af operationen, og postoperativ vurdering af kirurgiske margener blev alle fundet muligt ved hjælp af en brugerdefineret bygge NIRF kamerasystem. Invasiv detektering af fluorescerende tumor-simulerende inklusioner var kun muligt for indeslutninger placeret i fantom vævet i en dybde p…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by a grant from the Jan Kornelis de Cock foundation.
Materials
| Bovine hemoglobin | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | H2500 | Simulates absorption of photons in tissue |
| Intralipid 20% | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | I141 | Simulates scattering of photons in tissue |
| Silicone A translucent 40 (2-components poly-addition silicone) | NedForm, Geleen, The Netherlands | N/A | Package consists of components A and B, that should be mixed one on one (A:B=10:1). Link to manufacturers page: http://tinyurl.com/ncjq7jx |
| Gelatine 250 Bloom | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | 48724 | Construction of breast-shaped phantoms |
| Agarose | Hispanagar, Burgos, Spain | N/A | Construction of tumor-simulating inclusions |
| Tris | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | T1503 | |
| Hcl | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | 258148 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands | S9888 | |
| NaH3 | Merck, Darmstadt, Germany | 822335 | CAUTION: severe poison. The toxicity of this compound is comparable to that of soluble alkali cyanides and the lethal dose for an adult human is about 0.7 grams. |
| Examples of NIRF imaging devices for intraoperative application: | |||
| T2 NIRF imaging platform | SurgVision BV, Heerenveen, The Netherlands | N/A | Customized NIRF imaging system used in the current study. More details available at www.surgvision.com |
| Photodynamic Eye | Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH, Herrsching am Ammersee, Germany | PC6100 | www.iht-ltd.com |
| FLARE imaging system kit | The FLARE Foundation Inc, Wayland, MA, USA | N/A | www.theflarefoundation.org |
| Fluobeam | Fluoptics, Grenoble, France | N/A | www.fluoptics.com |
| Artemis handheld camera | Quest Medical Imaging BV, Middenmeer, the Netherlands | N/A | www.quest-mi.com |
| Examples of NIRF fluorescent dyes for intraoperative application: | |||
| Indocyanine green | ICG-PULSION, Feldkirchen, Germany | PICG0025DE | Clinical grade fluorescent dye for NIRF imaging used in the current study. More details available at www.pulsion.com |
| IRDye 800CW NHS Ester | LI-COR Biosciences, Lincoln, NE, USA | 929-70021 | www.licor.com |
References
- Bellon, J. R., et al. ACR Appropriateness Criteria® Conservative Surgery and Radiation – Stage I and II Breast Carcinoma. The Breast Journal. 17 (5), 448-455 (2011).
- Kaufmann, M., Morrow, M., Von Minckwitz, G., Harris, J. R. The Biedenkopf Expert Panel Members. Locoregional treatment of primary breast cancer. Cancer. 116, 1184-1191 (2010).
- Pleijhuis, R. G., et al. Obtaining adequate surgical margins in breast-conserving therapy for patients with early-stage breast cancer: current modalities and future directions. The Annals of Surgical Oncology. 16, 2717-2730 (2009).
- Singletary, S. E. Surgical margins in patients with early-stage breast cancer treated with breast conservation therapy. American Journal of Surgery. 184 (5), 383-393 (2002).
- Jacobs, L. Positive margins: the challenge continues for breast surgeons. Annals of Surgical Oncology. 15 (5), 1271-1272 (2008).
- Krekel, N., et al. Excessive resections in breast-conserving surgery a retrospective multicentre study. The Breast Journal. 17 (6), 602-609 (2011).
- Wood, W. C. Close/positive margins after breast-conserving therapy: additional resection or no resection?. Breast. 22, 115-117 (2013).
- Van Dam, G. M., et al. Intraoperative tumor-specific fluorescence imaging in ovarian cancer by folate receptor-α targeting: first in-human results. Nature Medicine. 17 (10), 1315-1319 (2011).
- Pleijhuis, R. G., et al. Near-infrared fluorescence (NIRF) imaging in breast-conserving surgery: assessing intraoperative techniques in tissue-simulating breast phantoms. European Journal of Surgical Oncology. 37 (1), 32-39 (2011).
- Baeten, J., Niedre, M., Dunham, J., Ntziachristos, V. Development of fluorescent materials for Diffuse Fluorescence Tomography standards and phantoms. Optics Express. 15 (14), 8681-8694 (2007).
- Luker, G. D., Luker, K. E. Optical imaging: current applications and future directions. Journal of Nuclear Medicine. 49 (1), 1-4 (2007).
- Keereweer, S., et al. Optical image-guided surgery – Where do we stand?. Molecular Imaging Biology. 13 (2), 199-207 (2011).
- Themelis, G., Yoo, J. S., Soh, K. S., Shulz, R., Ntziachristos, V. Real-time intraoperative fluorescence imaging system using light-absorption correction. Journal of Biomedical Optics. 14 (6), 064012 (2009).
- Themelis, G., et al. Enhancing surgical vision by using real-time imaging of αvβ3-integrin targeted near-infrared fluorescent agent. Annals of Surgical Oncology. 18 (12), 3506-3513 (2011).
- De Grand, A. M., et al. Tissue-like phantoms for near-infrared fluorescence imaging system assessment and the training of surgeons. Journal of Biomedical Optics. 11 (1), 014007 (2006).
- Intes, X. Time-domain optical mammography SoftScan: initial results. Academic Radiology. 12 (10), 934-947 (2005).
- Kirsch, D. G., et al. A spatially and temporally restricted mouse model of soft tissue sarcoma. Nature Medicine. 13 (8), 992-997 (2007).
- Tafreshi, N. K., et al. Noninvasive detection of breast cancer lymph node metastasis using carbonic anhydrases IX and XII targeted imaging probes. Clinical Cancer Research. 18 (1), 207-219 (2012).
- Nguyen, Q. T., Tsien, R. Y. Fluorescence-guided surgery with live molecular navigation – a new cutting edge. Nature Reviews Cancer. 13 (9), 653-662 (2013).
- Orosco, R. K., Tsien, R. Y., Nguyen, Q. T. Fluorescence imaging in surgery. IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 178-187 (2013).
