Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Medicine

Tissue-simuleren Phantoms voor de beoordeling van potentiële nabij-infrarood fluorescentie beeldvorming Toepassingen in Borstkanker Chirurgie

doi: 10.3791/51776 Published: September 19, 2014

Abstract

Onnauwkeurigheden in intraoperatieve tumor lokalisatie en evaluatie van chirurgische margestatus resultaat in een suboptimale uitkomst van een borstsparende operatie (BCS). Optical imaging, met name nabij-infrarood fluorescentie (NIRF) beeldvorming, kan de frequentie van positieve snijvlakken na BCS verminderen door de chirurg een instrument vooraf en intraoperatieve tumor lokalisatie in real-time. In de huidige studie, is het potentieel van NIRF-begeleide BCS geëvalueerd met behulp van weefsel simuleren borst fantomen om redenen van standaardisatie en de beroepsopleiding.

Borst fantomen met optische eigenschappen vergelijkbaar met die van normaal borstweefsel werden gesimuleerd borstsparende chirurgie. Tumor simuleren insluitsels die de fluorescerende kleurstof indocyaninegroen (ICG) werden opgenomen in de fantomen op vooraf bepaalde locaties en afgebeeld voor pre-en intraoperatieve tumor lokalisatie, real-time NIRF-begeleide tumor resectie, NIRF-begeleideover de omvang van de operatie en postoperatieve beoordeling van snijvlakken. Een aangepaste NIRF camera werd gebruikt als klinisch prototype voor beeldvormingsdoeleinden.

Breast fantomen die tumor nabootsen insluitsels bieden een eenvoudige, goedkope en veelzijdig gereedschap te simuleren en evalueren intraoperative tumor imaging. De gelatineuze fantomen elastische eigenschappen hebben vergelijkbaar met humane weefsels en kan worden gesneden met conventionele chirurgische instrumenten. Bovendien, de fantomen bevatten hemoglobine en intralipide voor nabootsen absorptie en verstrooiing van fotonen respectievelijk instelling van uniforme optische eigenschappen vergelijkbaar met humane borstweefsel. Het belangrijkste nadeel van NIRF beeldvorming is de beperkte penetratie diepte van fotonen wanneer verspreiden via weefsel, dat (niet-invasieve) beeldvorming van diepgewortelde tumoren met epi-verlichting strategieën belemmert.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Borstsparende operatie (BCS), gevolgd door radiotherapie is de standaard behandeling voor borstkanker patiënten met T 1-T 2 mammacarcinoom 1,2. Onjuistheden in intraoperatieve evaluatie van de omvang van de operatie leiden tot positieve chirurgische marges in 20 tot 40% van de patiënten die BCS onderging, noodzakelijk aanvullende chirurgische ingreep of radiotherapie 3,4,5. Hoewel uitgebreide resectie van de aangrenzende gezonde borstweefsel de frequentie van positieve chirurgische marges kunnen verminderen, zal dit ook belemmeren cosmetisch resultaat en verhogen comorbiditeit 6,7. Nieuwe technieken zijn daarom noodzakelijk dat intraoperatieve feedback op de locatie van de primaire tumor en de mate van chirurgie. Optische beeldvorming, in het bijzonder nabij-infrarood fluorescentie (NIRF) beeldvorming, kan de frequentie van positieve chirurgische marges volgende BCS te verminderen door de chirurg met een instrument voor pre-en intraoperatieve tumor lokalisatie in real-tijd. Onlangs heeft onze groep rapporteerde over de eerste studie in de mens van de tumor gerichte fluorescentie beeldvorming bij patiënten met ovariumcarcinoom, die de haalbaarheid van deze techniek om primaire tumoren en intraperitoneale metastasen te detecteren met een hoge gevoeligheid 8. Alvorens over te gaan tot de klinische studies bij patiënten met borstkanker, maar de haalbaarheid van diverse tumor gerichte NIRF imaging toepassingen in BCS kan nu al worden geëvalueerd preklinisch met fantomen.

Het volgende onderzoek protocol beschrijft het gebruik van NIRF beeldvorming bij weefsel simuleren borst fantomen met tl-tumor simuleren insluitsels 9. De fantomen een goedkoop en veelzijdig gereedschap te simuleren voor en intraoperatieve tumor lokalisatie, real-time NIRF geleide tumor resectie, beoordeling van de chirurgische margestatus en detectie van residual disease. De geleiachtige fantomen hebben elastische eigenschappen vergelijkbaar met menselijk weefsel en kan worden gesneden met behulp van conventionele enurgical instrumenten. Tijdens de gesimuleerde chirurgische ingreep, is de chirurg geleid door tactiele informatie (in het geval van tastbare insluitingen) en visuele inspectie van het operatiegebied. Bovendien wordt NIRF beeldvorming toegepast op de chirurg real-time intraoperative feedback van de omvang van chirurgie.

Benadrukt moet worden dat NIRF beeldvorming vereist het gebruik van fluorescerende kleurstoffen. Idealiter fluorescente kleurstoffen worden gebruikt die fotonen in het nabije infrarood spectrum uitzenden (650-900 nm) absorptie en verstrooiing van fotonen door moleculen fysiologisch rijk aan weefsel minimaliseren (bijvoorbeeld hemoglobine, lipiden, elastine, collageen en water) 10,11. Bovendien autofluorescentie (dwz de intrinsieke fluorescentie activiteit in weefsel als gevolg van biochemische reacties in levende cellen) wordt geminimaliseerd in het nabij-infrarode spectrale gebied, resulteert in optimale tumor-to-background ratio 11. Door het vervoegen NIRF kleurstoffen aan tumor-targeted groepen (bijvoorbeeld, monoklonale antilichamen), kan gerichte toediening van fluorescerende kleurstoffen worden verkregen voor intra-operatieve beeldvorming toepassingen.

Aangezien het menselijk oog ongevoelig is voor licht in het nabij-infrarode spectrale gebied, is een zeer gevoelige camera apparaat vereist NIRF beeldvorming. Verschillende NIRF beeldvormende systemen voor intra-operatieve gebruik zijn tot nu toe 12 ontwikkeld. In de huidige studie hebben we gebruik gemaakt van een custom build NIRF imaging-systeem, dat is ontwikkeld voor intra-operatieve toepassing in samenwerking met de Technische Universiteit van München. Het systeem zorgt voor een gelijktijdige aankoop van afbeeldingen in kleur en fluorescentie beelden. Om de nauwkeurigheid van de fluorescentiebeelden te verbeteren, wordt een correctie ingestelde regeling variaties in lichtintensiteit in weefsel. Een gedetailleerde beschrijving wordt verschaft door Themelis et al. 13

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1 Maak siliconen mallen voor Tumor simuleren Inclusions

  1. Verzamel vaste voorwerpen van de gewenste vorm en grootte die kan dienen als model voor tumor het simuleren van insluitsels, bijvoorbeeld kralen of knikkers.
  2. Grondig reinigen van de tumor modellen. Een gemakkelijke verwijdering van de siliconen mal te waarborgen, kan de tumor modellen met antikleef spuiten besproeid of bedekt met een dun laagje vaseline of bijenwas.
  3. Plaats elk model in een afzonderlijke dunne doos walled vierkant (plastic) met een glad oppervlak. Eventueel fixeren het model naar de bodem van de doos in positie te houden. Gebruik een doos die is iets groter dan de tumor model zelf om te voorkomen dat het verspillen van grote hoeveelheden van siliconen.
  4. De benodigde hoeveelheid silicone component A in een mengkom en voeg silicone component B in een 10: 1 gewichtsverhouding. Meng beide componenten grondig. Eventueel kan een vacuümpomp worden gebruikt om luchtbellen uit het silicone mengsel verwijderd.
  5. Zachtjes pour de siliconen mengsel in de plastic doos om te voorkomen dat luchtbellen. Het silicone mengsel moet binnen 45 minuten worden verwerkt om optimale resultaten.
  6. Laat de silicone mengsel stollen ten minste 6 uur voor het snijden de mal en verwijderen van de tumor model. Eventueel kan de siliconen mal in een zigzagpatroon worden gesneden zodat deze weer samen netjes passen. Maximale sterkte van het silicium verkregen na 3 dagen.

2 Maak Tris-zoutoplossing

  1. Een Tris-gebufferde zoutoplossing (TBS) door toevoeging van 6,1 g (50 mM) Tris en 8,8 g (150 mM) NaCl 800 ml gedeïoniseerd water.
  2. Voeg 1,0 g (15 mmol) NaN3 tot oxygenatie van hemoglobine (stap 3.3 en 4.4) blokkeren en bacteriegroei te remmen. LET OP: NaN 3 is een ernstige vergif. Het kan fataal in aanraking met de huid of opname door de mond zijn. De toxiciteit van deze verbinding is vergelijkbaar met die van alkali oplosbare cyaniden en de dodelijke dosis voor een volwassen mensis ongeveer 0,7 g. Volg altijd de veiligheidsvoorschriften, zoals bepaald door de fabrikant.
  3. Stel de pH op 7,4 en breng het volume op 1000 ml met gedeïoniseerd water.

3 Maak Fluorescent Inclusions

  1. Voeg 2 g agarose met 50 ml TBS uit stap 2 Hoe hoger smeltpunt agarose tegenover gelatine (stap 4.2) wordt voorkomen dat de insluitsels oplost en lekkende fluorescerende kleurstof wanneer geplaatst in gesmolten gelatine. Eventueel kan de hoeveelheid toegevoegd agarose worden gewijzigd volgens 1 of 3 g zachter of palpabele insluitsels respectievelijk verkrijgen.
  2. Verwarm de agarose suspensie met een magnetron totdat het kookpunt is bereikt. Grondig roeren totdat de agarose volledig is opgelost.
  3. Voeg 1,1 g (17 umol) hemoglobine en 5 ml Intralipid 20% opgelost in 50 ml TBS de agarose mengsel onder voortdurend roeren lijken op de optische eigenschappen van de omringende borst fantoom weefsel (stap 4).
  4. Voeg 20,0 mg (250,8 umol) van de fluorescente kleurstof indocyaninegroen 83,8 ml gedeïoniseerd water. Controleer of de kleurstof volledig is opgelost.
  5. Pipetteer 5,0 ml van deze oplossing toevoegen aan de agarose mengsel tot een eindconcentratie van 14 uM te verkrijgen. Eventueel kunnen andere fluorescente kleurstoffen dan ICG desgewenst worden gebruikt met hun eigen optimale concentratie.
  6. Voorzichtig vul de siliconen mallen gemaakt in stap 1 met de hete agarose mengsel met behulp van een injectiespuit (figuur 1A). Herhaal dit proces tot alle mallen zijn gevuld.
  7. Laat de fluorescerende insluitsels stollen bij kamertemperatuur gedurende ongeveer een uur. Bescherm de insluitsels van licht door het bedekken van het hele mal met aluminiumfolie.
  8. Na het stollen, opent voorzichtig de mal en druk op de opname (Figuur 1B). Eventueel met de punt van de spuit om kleine druppels gesmolten agarose gemengd worden op het oppervlak van de opname. Door het herhalen van dit proces meerdere keren op dezelfde locatie, kleine tumor sporen kunnen worden gemaakt voor de simulatie van infiltratieve tumoren.
  9. Bescherm de agarose insluitsels van licht en uitdroging door ze te omwikkelen met aluminiumfolie en bewaar ze in een vochtige opslag container bij 4 ° C.
    Opmerking: Het gebruik van lagere of hogere fluorescente kleurstof concentraties dan de bekende concentratie optimaal zal zowel leiden tot verminderde fluorescentie signaalintensiteit. De schijnbaar contra vermindering signaalintensiteit bij toenemende kleurstof concentraties boven de optimale fluorescente kleurstof concentratie door een fenomeen quenching. Bij de beoordeling van de maximale diepte penetratie van een fluorescerende kleurstof in fantomen, met behulp van de optimale concentratie is verplicht.

4 Maak Borst Phantoms

  1. Verkrijgen van een komvormige mal borst fantomen van de gewenste maat en volume, bijvoorbeeld een glas of plastic kom maken. De mal moet een glad oppervlak om de gelatine vorm vast te houden aan de schimmel te voorkomen hebben. Een mal volume van 500 ml zal borst fantomen van voldoende omvang.
  2. Een borst fantoom met een volume van 500 ml te maken, voeg 50 g gelatine 250 bloom 500 ml TBS (stap 2). Verwarm de gelatine slurry tot 50 ° C onder constant roeren.
  3. Zodra de gelatine volledig opgelost is, laat de gelatine mengsel langzaam afkoelen en handhaven bij een constante temperatuur van 35 ° C met een heet waterbad.
  4. Onder constant roeren, voeg 5,5 g (85 mmol) bovine hemoglobine en 25 ml Intralipid 20% absorptie en verstrooiing van fotonen respectievelijk simuleren weefsel.
  5. Prechill het komvormige vorm bij 4 ° C gedurende tenminste 1 uur. Vervolgens giet de gelatine mengsel in de matrijs tot een niveau dat overeenkomt met de vooraf bepaalde diepte van de agarose-tumor nabootsen integratie (Figuur 1C). Laat de gelatine mengsel stollen bij 4 ° C gedurende 30 minuten tot een uur.
  6. Na het stollen, plaatst een tumor simuleren fluorescerende agarose opname op het oppervlak van het fantoom en tijdelijk fixeren van de opname met een kleine naald. Maximaal drie-tumor nabootsen fluorescerende insluitsels in een borst fantoom kunnen worden opgenomen. Voldoende ruimte (minimaal 5 cm) moet worden gehouden tussen individuele-tumor simuleren insluitsels (figuur 1D).
  7. Giet de rest van de warme gelatine mengsel in de matrijs resterende volume, waardoor hechting van beide lagen zonder dat breking artefacten. Markeer de locatie van het fluorescent-tumor simuleren insluitsels op de mal. Laat het fantoom stollen O / N bij 4 ° C.
  8. Eenmaal gestold, verwijder de naalden gebruikt voor tijdelijke fixatie van de insluitsels en verwijder voorzichtig de borst fantoom van de schimmel (figuur 1E). Bescherm de borst fantoom van licht en uitdroging door het te verpakken in aluminiumfolie en bewaar deze in een vochtige opslag container bij 4 ° C.

ure 1 "fo: content-width =" 5in "src =" / files / ftp_upload / 51776 / 51776fig1highres.jpg "width =" 500 "/>
Figuur 1 Sequentiële stappen voor het maken borst fantomen die fluorescent-tumor nabootsen insluitsels. Nadat silicone vormen van de gewenste vorm en afmetingen, de vormen worden gevuld met gesmolten agarose mengsel met een injectiespuit (A). Tumor simuleren insluitsels van verschillende grootte en vorm werden in deze studie (B). Vervolgens wordt een dunne laag gesmolten gelatine mengsel uitgegoten in een aangepaste gecoate houten borst vorm (C). Na stollen worden de tumor nabootsen insluitsels gepositioneerd tijdelijk gefixeerd en bedekt met een andere laag van gesmolten gelatine mengsel (D). Na het stollen, wordt de borst phantom voorzichtig verwijderd uit de mal (E). De fantoom kan vervolgens worden toegepast voor het simuleren van verschillende NIRF imaging toepassingen (F).ref = "/ files / ftp_upload / 51776 / 51776fig1highres.jpg" target = "_blank"> Klik hier om een ​​grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

5 Stel de NIRF Camera System

  1. Een NIRF camerasysteem voor intra-operatieve toepassing is vereist voor het simuleren van gerichte NIRF beeldvorming bij borstkanker chirurgie. Verschillende NIRF beeldvormende systemen voor real-time intra-operatieve beeldvorming NIRF beschikbaar voor onderzoeksdoeleinden. Hoewel enkele verschillen tussen deze inrichtingen bestaan, ze bevatten een excitatie lichtbron (voor excitatie van de fluorescente tumor inclusies) en een zeer gevoelige beeldvormende inrichting voor detectie van geëmitteerde fotonen.
  2. Zorg ervoor dat u een excitatie lichtbron van voldoende golflengte gebruiken. Voor-tumor simuleren insluitsels bevatten ICG, maken gebruik van een excitatie lichtbron (bijvoorbeeld laser) dat fotonen tussen 750 en 800 nm uitzendt. Als alternatief fluorescerende kleurstof wordt gebruikt, dient de excitatiegolflengte aangepast conform de ma instructies brikant's.
  3. In het geval dat de NIRF camera systeem bevat een emissie filter om te filteren op ongewenste achtergrond signalen, zorg ervoor dat u het juiste filter gebruikt. Voor-tumor simuleren insluitsels bevatten ICG, maken gebruik van een emissie-filter tussen 800 en 850 nm. Alternative fluorescerende kleurstoffen kunnen verschillende emissie filters vereisen, afhankelijk van de instructies van de fabrikant.
    OPMERKING: Zorg ervoor dat er nul overlap tussen de excitatie en de emissie golflengtes te oververzadigd beelden te voorkomen. Bovendien kan de beeldacquisitie tijd moeten worden aangepast om optimaal fluorescerende beelden oplevert. Bij diepliggende fluorescerende insluitingen en zwakke fluorescentiesignalen kunnen beeldacquisitie tijd worden verhoogd tot verscheidene seconden tot min. Bij oppervlakkige insluitingen en sterke fluorescentiesignalen kunnen opnametijd worden verlaagd tot meerdere msec om voor video-rate fluorescentie beeldvorming in real-time.
e "> 6. Simulatie van NIRF Imaging Applications in Borstkanker Chirurgie

  1. Neem het weefsel simuleren borst fantoom uit de verpakking en leg deze op een vlakke niet-fluorescerende oppervlak. Vervolgens plaatst u de NIRF imaging apparaat boven de borst fantoom, waardoor een voldoende werkafstand voor excisie van de tumor simuleren insluitsels.
  2. Lokaliseren van de tumor simuleren fluorescerende opnemen met NIRF beeldvorming en / of palpatie van de fantoom borst. In het geval dat er geen fluorescerend signaal worden gedetecteerd, wordt de opname van beide gepositioneerd te diep in het fantoom voor de detectie of het beeld acquisitie tijd moet worden verhoogd.
  3. Nadat de opname is gelokaliseerd, incise het fantoom borst en verwijder de tumor simuleren opneming, onder real-time NIRF-begeleiding met behulp van conventionele chirurgische instrumenten. Als alternatief kan de opname kan worden weggesneden uitsluitend leiden door visueel onderzoek en palpatie van de borsten fantoom aan de standaard-of-care te simuleren.
  4. Direct na verwijderingvan de tumor nabootsen integratie beeld de chirurgische holte voor het resterende fluorescentie activiteit aangeeft matig excisie.
  5. In geval van enige resterende fluorescerende activiteit, accijnzen het overblijfsel opneming, onder directe begeleiding NIRF tot er geen fluorescerend signaal wordt gelaten.
  6. Afbeelding van de weggesneden fantoom fragmenten NIRF-begeleide macroscopische margestatus assessment simuleren. Bij deze verordening, snijd de fantoom weefsel in 3-5 image mm plaques en de plaques dienovereenkomstig. Fluorescentiesignaal bereiken in de snijvlakken blijkt dat er positieve snijvlakken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

De resultaten van deze studie zijn eerder elders 9 vermeld.

Onze gegevens tonen aan dat NIRF beeldvorming kan worden toegepast op tl-tumor simuleren insluitsels te detecteren in-weefsel simuleren borst fantomen, simuleren NIRF-begeleide borstsparende operatie bij borstkankerpatiënten. Met onze phantom model hebben wij intraoperatieve tumor lokalisatie, NIRF geleide tumor resectie, intraoperatieve evaluatie chirurgische holte marges en detectie van residual disease haalbaar (figuur 2). Kortom, een totaal van vier phantom borsten geproduceerd, alle met twee fluorescerende insluitsels met verschillende afmetingen en / of morfologie (tabel 1).

Fluorescent-tumor nabootsen insluitsels werden chirurgisch uit de eerste en tweede borst phantom met conventionele chirurgische instrumenten. Excisie van de insluitsels werd geleid door palpatie en visuele inspectie van de operative veld. De chirurg werd gevraagd om te werken op het fantoom borst totdat de tumor simuleren insluitsels volledig werden verwijderd. Vervolgens werd aangepast fluorescentie camera aangebracht op de chirurgische holte scannen resterende fluorescentiesignalen. Bij een onvolledige excisie, aangeduid door een sterke resterende fluorescentiesignaal werd de chirurg verzocht opneming overblijfsel uitsnijden onder real-time NIRF begeleiding. In beide phantom # 1 en # 2, excisie van een uit twee-tumor nabootsen insluitsels onvolledig was, zoals blijkt uit een sterke resterende fluorescentiesignaal afkomstig van de chirurgische holte. Bij onvolledige excisie na de eerste chirurgische poging de chirurg herkend en uitgesneden overblijfsel opname in NIRF leiding tijdens dezelfde (zogenaamde theranostische) procedure. Reexcision onder directe NIRF begeleiding resulteerde in een volledige verwijdering van de opname overblijfsel bij de tweede chirurgische poging in alle gevallen, terwijl het niet nodig was om grote volum accijnzenes van fantoom weefsel.

In de derde en vierde borst spoor, NIRF geleide lokalisatie en chirurgische verwijdering van de fluorescerende insluitsels werd uitgevoerd bij de eerste chirurgische poging. Bij het naderen van de tumor nabootsen fluorescerende insluitsels, de chirurg had een monitor ter beschikking waarop het fluorescentiesignaal werd geprojecteerd in real-time. In de vierde borst fantoom, een tumor simuleren opname gepositioneerd op 3,0 cm diepte was alleen waarneembaar na insnijden van de fantoom weefsel ongeveer 1 cm. In de derde borst fantoom, werden zowel tumor nabootsen insluitsels radicaal verwijderd eerste chirurgische poging, dat de verwijdering van een infiltratieve opneming in de vierde fantoom bleek onvolledig zijn. Reexcision in direct NIRF-leiding tot een volledige verwijdering van de tumor overblijfsel in dit fantoom.

Na de operatie, werden uitgesneden phantom weefselfragmenten snijd ze in 3 mm dia's en afgebeeld met behulp van de NIRF camera system simuleren ex vivo macroscopische beoordeling van de chirurgische margestatus. In alle gevallen, postoperatieve NIRF imaging duidelijk weergegeven de grenzen van de tumor nabootsen insluitsels en aangegeven of tumor-rest aanwezig op de snijvlakken (Figuur 2C) was.

Figuur 2
Figuur 2 NIRF beeldvorming simulatie in borst fantomen.-Weefsel simuleren borst fantomen met tl-tumor simuleren insluitsels werden toegepast voor de simulatie van intraoperatieve tumor lokalisatie (A), NIRF-begeleide tumor verwijderen (B), en NIRF-begeleide evaluatie van chirurgische marge Status (C). Bewerkt uit:.. Pleijhuis et al, EJSO (2011) Plgemak klik hier om een ​​grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Tabel 1: Overzicht van de phantom samenstelling. Tabel 1
Totaal 4 fantomen werden geproduceerd, met twee-tumor nabootsen fluorescerende insluitsels elk van verschillende grootte en vorm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

We gesimuleerde potentiële klinische toepassingen van NIRF geleide BCS door het gebruik van borst-vormige fantomen met geïntegreerde tumor nabootsen insluitsels. Intraoperatieve tumor lokalisatie, NIRF-begeleide tumor resectie, de evaluatie van de omvang van de operatie, en postoperatieve evaluatie van de chirurgische marges bleken allemaal haalbaar is met behulp van een op maat bouwen NIRF camerasysteem. Invasieve detectie van fluorescentie-tumor nabootsen insluitsels slechts haalbaar voor insluitsels gelegen in het fantoom weefsel op een diepte van 2 cm of minder. Intra-operatief, maar de beperkte signaal penetratiediepte grotendeels opgelost door de aard van BCS chirurgie, waarbij de chirurg het weefsel van belang zouden dichter bij het oppervlak door insnijden de superpositie weefsel.

Intraoperative NIRF beeldvorming aantal belangrijke voordelen, zoals het gebrek aan ioniserende straling, algemene veiligheid van de techniek en een hoge resolutie 9,14. Verder is de techniqUE biedt real-time feedback voor de chirurg over de omvang van de operatie en maakt directe integratie van fluorescerende beelden met kleurafbeeldingen van het operatiegebied voor een nauwkeurige lokalisatie van het fluorescentiesignaal 13.

Zoals eerder is opgemerkt, een belangrijk nadeel van NIRF beeldvorming de beperkte penetratie diepte van optische signalen door de absorptie en verstrooiing van fotonen van bepaalde weefselbestanddelen 10,11. Om de optische eigenschappen van normaal borstweefsel overeenkomen, hemoglobine en intralipide werden toegevoegd aan onze fantomen voor de absorptie en verstrooiing van fotonen, respectievelijk 10,15. Een tweede nadeel van intraoperatieve NIRF beeldvorming is het onvermogen om fluorescentiesignalen kwantificeren door het uitvoeren tweedimensionale beeldvorming door een lineaire relatie tussen de signaalintensiteit en concentratie van de fluorescente kleurstof 10.

In de huidige studie hebben we een aangepaste NIRF gebruiktcamera voor intraoperatieve gebruik. Het systeem neemt zowel twee-dimensionale kleur en fluorescentie beelden van het operatiegebied. Andere intraoperatieve NIRF imaging apparaten zijn ook verkrijgbaar met iets andere beeldvormende strategieën 12. Helaas, in multicenter trials, het gebruik van verschillende beeldvormende systemen en instellingen kunnen beïnvloeden resultaten verkregen tussen instellingen. Met behulp van fantomen met bekende hoeveelheden fluorescerende kleurstof zou kunnen helpen oplossen van dit probleem door middel van een tool om verschillende beeldvormende systeem te kalibreren. Bovendien kan de fantomen worden voor training en normalisatie van NIRF geleide chirurgische procedures.

Zoals eerder gezegd, fluorescente kleurstoffen zijn een voorwaarde voor NIRF beeldvorming. We kozen ICG voor onze tumor nabootsen insluitsels omdat het de enige klinische kwaliteit infrarood fluorescerende kleurstof beschikbaar. Nieuwe fluoroforen (bijvoorbeeld IRDye 800CW) worden momenteel ontwikkeld en zullen naar verwachting Approva winnenl voor klinisch gebruik in de nabije toekomst. Unlike ICG, die niet kunnen worden geconjugeerd in het klinisch goedgekeurde vorm, nieuwe fluoroforen zoals 800CW kan gemakkelijk worden geconjugeerd aan biomoleculen. Conjugatie van deze nieuwe fluoroforen tumor-gerichte liganden of monoklonale antilichamen kunnen specifieke afgifte van de fluorescente kleurstof kankercellen. Inderdaad, preklinische en klinische studies reeds haalbaarheid van NIRF beeldvorming van fluorofoor gelabeld tumoren getoond en aangegeven NIRF-geleide chirurgie chirurgische prognose te verbeteren 8,13,17,18,19,20.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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 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 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
NaN3 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 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 www.theflarefoundation.org
Fluobeam Fluoptics, Grenoble, France www.fluoptics.com
Artemis handheld camera Quest Medical Imaging BV, Middenmeer, the Netherlands 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Jacobs, L. Positive margins: the challenge continues for breast surgeons. Annals of Surgical Oncology. 15, (5), 1271-1272 (2008).
  6. Krekel, N., et al. Excessive resections in breast-conserving surgery a retrospective multicentre study. The Breast Journal. 17, (6), 602-609 (2011).
  7. Wood, W. C. Close/positive margins after breast-conserving therapy: additional resection or no resection? Breast. 22, 115-117 (2013).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Luker, G. D., Luker, K. E. Optical imaging: current applications and future directions. Journal of Nuclear Medicine. 49, (1), 1-4 (2007).
  12. Keereweer, S., et al. Optical image-guided surgery - Where do we stand? Molecular Imaging Biology. 13, (2), 199-207 (2011).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Intes, X. Time-domain optical mammography SoftScan: initial results. Academic Radiology. 12, (10), 934-947 (2005).
  17. Kirsch, D. G., et al. A spatially and temporally restricted mouse model of soft tissue sarcoma. Nature Medicine. 13, (8), 992-997 (2007).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Orosco, R. K., Tsien, R. Y., Nguyen, Q. T. Fluorescence imaging in surgery. IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 178-187 (2013).
Tissue-simuleren Phantoms voor de beoordeling van potentiële nabij-infrarood fluorescentie beeldvorming Toepassingen in Borstkanker Chirurgie
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pleijhuis, R., Timmermans, A., De Jong, J., De Boer, E., Ntziachristos, V., Van Dam, G. Tissue-simulating Phantoms for Assessing Potential Near-infrared Fluorescence Imaging Applications in Breast Cancer Surgery. J. Vis. Exp. (91), e51776, doi:10.3791/51776 (2014).More

Pleijhuis, R., Timmermans, A., De Jong, J., De Boer, E., Ntziachristos, V., Van Dam, G. Tissue-simulating Phantoms for Assessing Potential Near-infrared Fluorescence Imaging Applications in Breast Cancer Surgery. J. Vis. Exp. (91), e51776, doi:10.3791/51776 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter