Login processing...

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

Medicine

Diffus optisk spektroskopi til kvantitativ vurdering af akut ioniserende stråling induceret hudtoksicitet Brug af mus Model

doi: 10.3791/53573 Published: May 27, 2016

Introduction

Teknologiske forbedringer i strålebehandling (RT) planlægning og levering nu mulighed for meget konforme terapeutiske doser, der skal leveres til tumoren regionen, samtidig skåne normale omgivende strukturer. Alligevel akutte og til tider alvorlige toksiciteter er uundgåelige, når høj dosis -målet er tæt på huden. Hvis alvorlig nok, kan den resulterende normale vævsskader negativ indvirkning på RT behandlingsresultat og patientens livskvalitet 1,2.

På trods af de skadelige konsekvenser, nuværende ledelse af stråling erythem forbliver uspecifik, beskæftiger cremer eller salver, der ignorerer de underliggende biologiske mekanismer, der fører til skader. Disse tilgange er baseret på at minimere symptomer snarere end årsagen. Desuden er timingen og administration af interventionelle behandlinger kompliceres af den kvalitative og subjektive karakter af vurderingen stråling hud skade. Mens flere anerkendteorganisationer (RTOG, EORTC) giver visuel klassificering anbefalinger, institutioner varierer i deres valg af foretrukne scoring og dermed tilslører sammenligninger af normale væv toksicitet med henblik på metaanalyser. Endvidere sådanne klassificering systemer er rå og tilbøjelige til inter-observatør variation, således at forskelle i stråling skade sværhedsgrad kan være umærkelig i studier, der evaluerer strategier til reduktion af toksicitet.

Snarere end visuelt beskriver graden af ​​erytem i bestrålet hud, en alternativ fremgangsmåde er at måle parametre, der kvantitativt beskriver de underliggende fysiologiske forandringer, der sker i organet. Blodets hæmoglobin (Hb), vævsoxygenmætning (STO 2) eller oxygeneret hæmoglobin (oxyHb) niveauer er blevet anvendt som stedfortrædere for bestråling-induceret erytem hos mus 3-6. Efter bestråling total Hb niveauer undergår udsving, men oxyHb eller STO 2 underkastes en karakteristisk tidlig kraftig stigning, efterfulgt af enfalde, og en anden mere vedholdende stigning 3,6. Når der anvendes irritanter at inducere erythem, vaskulære oxyHb niveauer direkte korrelerer med sværhedsgraden af den lokale erytem og inflammation 7.

Diffus optisk spektroskopi (DOS) beskæftiger nær-infrarødt lys til at give funktionel information om de biokemiske og mikrostrukturelle komponenter af vitale væv komponenter. Dette kvantitative, ikke-invasiv optisk teknologi giver en metode til at måle cytokin-induceret vasodilation i blodkar, der opstår under erytem via funktionelle surrogater for Hb-koncentration og STO 2. Nylige undersøgelser, der sammenligner DOS målte parametre med kontrollerede kliniske scoring metoder 8-11 indikerer potentialet i teknik til at overvinde de iboende begrænsninger for nuværende klassificering systemer.

Her beskriver vi en in-house, bærbare, DOS system, der anvender funktionelle surrogater for kvantitativt DETEcting forskelle i strålingsinduceret hud toksicitet i en præklinisk musemodel 5. Den beskrevne platform kan give et middel til standardiseret erythema scoring med høj følsomhed til tidlig opdagelse og subtil differentiering af interventionel lægemiddelrespons. Desuden med kun mindre tilpasninger, instrumenteringen kan i sidste ende være ansat klinisk for real-time bedside monitorering.

Protocol

Følgende metoder er i overensstemmelse med retningslinjerne i Sunnybrook Research Institute Animal Care Ethics Committee.

1. diffus reflektans spektroskopi System

  1. Saml diffus reflektans spektre ved hjælp af en håndholdt, fiberoptisk sonde og bærbare spektroskopiske erhvervelse system, der tidligere er blevet beskrevet (Kim et al. 2010), og er kort gennemgået i figur 1 (og relaterede billedtekster) for fuldstændighed 1,2.

2. Udarbejdelse af Mouse Model af akut Radiation Skin Skader

  1. Order 6 uger gamle mus (fortrinsvis hårløse, såsom athymiske eller SKH-1) og tillade dem at akklimatisere i dyret facilitet for en uge før start eksperimenter. Reserve mindst 3 mus til en ikke-bestrålet kontrolgruppe og 5 mus til en bestrålet gruppe.
  2. Før baseline DOS målinger og bestråling, mærke de mus ved hjælp af øre slag eller permanent markør markings på halen. Hvis mus ikke er nøgen, fjerne hår på en 2 cm med 2 cm plaster på flanken hud, men dette kan medføre hudirritation.

3. Diffuse Optical Spectroscopy datafangst

  1. Tænd for strømforsyningen til elektronikken.
  2. For mus hud, indstille signal parametre for erhvervelse software ved at skrive i 25 ms til indsamling tid, 25 for signal gennemsnit og en til boxcar filter bredde. Disse parametre giver en fornuftig balance mellem erhvervelse tid og signal til støj.
  3. Brug brugerdefinerede programmeret erhvervelse software, automatisk får en baggrund læsning, R bg (LED slukket) og diffus reflektans på to kilde-detektor afstandskrav, R meas (260 um, 520 um) ved at klikke på knappen "Acquire". Den samlede erhvervelse tid er ~ 2 sek.
  4. Sluk alle fluorescerende værelse lys ved at trykke på plads lyskontakten, før du udfører målinger.
    BEMÆRK: fluorescerent rumbelysning forstyrre det detekterede signal (disse lys producere en tidsvarierende lysintensitet og det er således vanskeligt at trække som en baggrund signal). Selv glødepærer kan anvendes, holde lysene i en afstand fra DOS proben at undgå høje baggrundsniveauer (og dårligt signal til støj).

4. Animal Anæstesi og Baseline DOS Målinger

  1. Forbered anæstesi maskine ved at sikre, at alle forbindelser er intakte og flydende isofluran niveau er passende. Brug en anæstesi induktion kammer med en vedhæftet rør og næse kegle, der kan tapes ned til en steriliseret, blødt polstret overflade inden for bekvem rækkevidde af DOS sonden.
  2. Bedøve en bur af mus ad gangen i induktionen kammeret ved at inducere med 4% isofluran i 30 sek. Sænk isofluran beløb til 2% for den næste 2 min. Kontroller, at musen er bedøvet ved at observere noget svar fra klemme en tå af bagbenet.
  3. Hurtigtflytte en mus på steriliserede DOS sondering område, placere den på sin side, fastgøre sin snude ind i næsen kegle og åbn næse kegle slangen til strømmen af ​​anæstesi (2% isofluran).
    BEMÆRK: Hvis den procedure tager længere tid end 1 - 2 ud min, gælder dyrlæge salve på øjnene for at forhindre tørhed.
  4. Før erhverve musehud målinger, sterilisere proben ved aftørring med 70% ethanol. Må ikke steriliseres huden.
  5. Placer sonden forsigtigt på flanken huden og sørg for at undgå at sprede den lokale vaskulatur. Hold sonden med hånden for varigheden af ​​målingen.
  6. Erhverve reflektans data ved at probe en flanke hudområde på ca. 2 cm x 2 cm (området, der skal bestråles) ved at følge 5-dot formation på en matrice. Hold dette sondering mønster, område, sonde tryk og krop side (venstre eller højre) konsekvent for alle efterfølgende målinger.
    BEMÆRK: komplet scanning tager ca. 60 sek. Probe pres skal være lige nok til at få en scanning uden at sprede local kar.
  7. Flyt musen til et opsving bur, og flytte den næste musen over til DOS sondering område. Gentag trin 4.2 - 4.6 indtil alle mus er blevet målt. Lad ikke et dyr uden opsyn, indtil det har genvundet tilstrækkelig bevidsthed til at opretholde brystleje.

5. Animal bestråling

BEMÆRK: Denne protokol kræver brug af en strålerøret, og forberedelse dyr kan være nødvendigt at justere for at opfylde behovene i strålerøret enhed. Under bestråling, bør kun det lille område af flanken hud udsættes for strålen. Strålerøret skal placeres i et sterilt anlæg og passende bur sterilisation skal overholdes ved returnering mus til deres sterile boligområde.

  1. Forbered anæstesi maskine (som i trin 4.1 - 4.2) og bedøve en mus ad gangen i induktion kammeret før forberede det for bestråling.
  2. Fjern musen fra induktion kammer, gently klemme flanken hud og sted tape over og under den strakte hud, der danner en klap.
  3. Placer musen på en plexiglas scenen og dække kroppen med en brugerdefineret bly læren (en arbejder design er en rektangulær kasse med bund og mindst en ende åben, sammen med et sidevindue for at tillade flanke hud til at blive trukket igennem). Træk hudlap gennem jig vinduet og tape forsigtigt klappen på scenen.
    BEMÆRK: Den brugerdefinerede bly jig er lille nok til at immobilisere musen. Hvis brugertilpasset jig ikke helt immobilisere musen, derefter bruge yderligere restrainers og / eller indgive ketamin (80 - 100 mg / kg) og xylazin (10 - 12,5 mg / kg) via intraperitoneal injektion at holde musen immobiliserede hele bestråling procedure.
  4. Placer plexiglas scenen med jiggen og musen ind i strålerøret. Bestemme indstillingerne (hud afstand fra røntgenkilde, spænding, varighed og strømstyrke) og levere den ønskede dosis (f.eks, 11 cm fra en 160 kVp x-ray kilde i 2,5 min med 6,3 mA).
    BEMÆRK: Vær forsigtig med x-ray kilde ved at følge retningslinjerne maskine brug for at undgå forbrændinger og DNA-skader.
    BEMÆRK: Athymiske nøgne mus udvikler fugtig afskalning omkring 14 dage efter bestråling som svar på 35 Gy, men kun mindre spredt afskalning med 17 Gy.
  5. Tag apparatet og musen ud af strålerøret, fjerne afskærmning, fjerne tapen og læg det i en individuel opsving bur. Retur musen til sin normale delt bur, efter at det er kommet fra anæstesi. Gentag trin 5,2-5,4 for alle mus, og udføre en fingeret operation på kontrol mus.
  6. Efter bestråling, huse dyrene i deres regelmæssige forhold. Hvis unormal adfærd udvikler (fx foroverbøjet kropsholdning, hvilket kan betyde smerte), konsultere en dyrlæge til at diagnosticere problemet. Smerte lindring kan omfatte administration 0,1 mg / kg buprenorphin subkutant eller som anvist af dyrlægen. Hvis vægttab overstiger 20% af den normale body masse, hus det separat i sin egen bur og levere høj næringsstof mad.

6. Opfølgning DOS Målinger

  1. Overvåge og måle hudreaktion intensitet ved hjælp af den kvantitative DOS teknik. Visuel inspektion af hudforandringer og tidligere arbejde tyder på, at der kan forventes (i forhold til baseline) store ændringer i DOS parametre omkring 6 - 12 dage efter bestråling 3,4. Men da væsentlige ændringer kan ske endnu tidligere eller senere afhængigt af modellen, kan andre målinger tidspunkter være nyttigt at undersøge.
  2. Opsæt DOS udstyr og kalibreringer som beskrevet i afsnittet 3.Prepare anæstesiapparatet og erhverve DOS målinger som beskrevet i afsnit 4.

7. Post-erhvervelse Processing

BEMÆRK: Alle trin i det følgende afsnit udføres ved hjælp af et brugerdefineret program skabt i en højtydende software miljø. Standardiseret navngivning klosterioner for hver spektral erhvervelse fil anvendes til at give mulighed for batchbehandling. Alle trin er illustreret i figur 2.

  1. Fratræk baseline (støj gulv) fra alle de målte spektre herunder baggrunden læsning.
  2. Træk baggrunden læsning, R bg (LED slukket), opnået i trin 3.3 fra målingen spektrum, R meas.
    BEMÆRK: For resten af denne artikel, alle spektre antages at være støj gulv og baggrund trukket og benævnes R corr.
  3. Konverter R corr til absolut reflektans, R abs, som beskrevet i referencerne 1,2 i afsnit 1.
    1. Opnå relative refleksionsmålinger, Rrel, i Intralipid-20% fantomer (Fresenius Kabi, Sverige) fantomer med stigende 3% alikvote fraktioner op til 48% (dvs. 3%, 6%, 9%, ..., 48%) og skabe af plot af Rrel versus Intralipid koncentration.
    2. Generer en absolut plot af R abs versus &# 956; s 'ved hjælp af diffusion ligning for reflektans 14.
    3. Match toppen af begge kurver og justere Rrel x-aksen svarer til R abs x-aksen.
    4. Ved en given bølgelængde og kilde-detektor separation, skalere y-aksen under anvendelse af:
      figur 1
      BEMÆRK: I det følgende afsnit, vil al montering af målinger henvises til R abs.

8. spektrale data Fitting

BEMÆRK: Følgende afsnit beskriver teorien og montering algoritme anvendes til udvinding funktionelle parametre mus hud. For alle teori anvendt, henvises til følgende artikler 14-18 og referencer deri. Alle ligninger antages at være programmeret i et almindeligt anvendt i fysik eller teknik laboratorier høje ende videnskabelig software miljø (indeholdende forprogrammerede moduler).

  1. Programmere en funktion, der beskriver etbsorption spektrum, u a (λ), i huden som summen af relevante enkelte kromoforer i spektrale område af interesse ved anvendelse af ligningen:
    figur 1
    Her, Hb er den totale hæmoglobinkoncentration (g / L), mens STO 2 er den uden enhed oxygenmætning i området fra 0 til 1.
  2. Opnå oxy, figur 1 Og deoxy, figur 1 , Hæmoglobin spektre (gemt som tekstfiler) fra online-samling af Prahl 19.
  3. Programmere en funktion, der beskriver spredningen spektrum af hud, figur 1 Ved hjælp af en strøm lov afhængighed, hvor A (cm-1) er værdien af μ s 'på λ o = 1 nm og k er et medium afhængig effektfaktor16.
  4. Program en matematisk funktion for den forreste model for diffus reflektans baseret på ligninger fra henvisning 14, der inkorporerer de spektrale ligninger fra trin 8,2-8,3 ind den forreste model funktion (dvs. R (r, u en (λ), u s '(λ )) = R (r, Hb, Sto 2, A, k).
    BEMÆRK: Mens der findes forskellige modeller, steady-state diffusion teori ligning giver en enkel og præcis beskrivelse af den lysfordeling væv.
  5. Programmér en funktion, kvadrater forskellen mellem den forreste modelleret reflektans spektre fra afsnit 8.4 og den målte reflektans spektre.
  6. Iterativt ændre Hb, Sto 2, A og k indtil de mindste kvadraters forskel funktion i afsnit 8.5 er mindst. MatLab s lsqcurvefit kan bruges til automatisk at udføre dette trin.
  7. Repeat trin 8,5 - 8.6 til opnåelse DOS parametre (Hb, Sto 2, A og k) for alle målte reflektans datasæt.
  8. Plot den relative ændring i DOS parameter med den tilsvarende unikke baseline måling med gennemsnittet af hver musens sæt af 3 - 5 normaliserede sonde spot målinger. Disse kurver er skabt ved hjælp af MatLab plot kommando.

9. Visual Stråling Dermatitis Scoring Periode

  1. Overvåg og score hudreaktion intensitet ved hjælp af en kvalitativ karakterskala (se Douglas og Fowler karakterskala 20) efter bestråling hver 48 timer (man kan også observere ændringer 3 - 24 timers efter bestråling). To blindede efterforskere er ideelle. Erhvervelse fotografier med et håndholdt kamera og reference skala (dvs. lineal) kan hjælpe med evalueringer.
  2. BEMÆRK: Scoring huden hver to dage efter bestråling kan hjælpe med at bestemme optimale DOS måletidspunkter for modellen. Hyppigere scoring kan give vigtige data afhængigt af modellen og forskning spørgsmål.
  3. Plot medianen for hver gruppe på hvert tidspunkt. Sammenligne grupper på bestemte tidspunkter eller den mediane overordnede områder under hver kurve.
  4. Efter mus er blevet fulgt til punktet af huden healing, der ønskes (f.eks, 4 uger), aflive musene ved en passende (godkendt) metode.

Representative Results

DOS reflektans teknik giver et objektivt alternativ til traditionelle kvalitative metoder til evaluering strålingsinduceret hud toksicitet. Visuelle ændringer i hudens udseende følgende toksiske doser af stråling til stede som ændringer i både størrelsen og formen af ​​den målte reflektans spektre. Begge er relateret til funktionelle ændringer i den underliggende cellulære mikrostruktur og fysiologiske væv tilstand. I dette afsnit er repræsentative resultater fra tidligere offentliggjorte arbejde med Yohan et al. 2014 5 revideret.

Figur 3 (venstre) viser repræsentative spektre (tynde blå linjer) målt ved en 260 um kilde-separation i en athymisk musemodel af huderytem 6 dage efter 40 Gy bestråling. Sammenlignet med præ-bestråling (figur 3, højre panel), observeres forskellene i den spektrale form på ~ 550-650 nm, likely grund af en stigning i oxygeneret hæmoglobin. En lille stigning i den absolutte refleksionskoefficient ses også, at er korreleret til en stigning i væv spredning magt. Den observerede spektre på dag 6 efter bestråling korreleret til en visuel hud score på 0,75.

En evaluering af post bestråling reflektans ændringer på udvalgte bølgelængder ikke gør brug af hele reflektans spektrum og også bærer de potentielle spørgsmål om støj følsomhed. Men montering af komplette spektrum tillader, hele datasæt, der skal konverteres til intuitive optiske biomarkører (H b, Sto 2). Figur 3 viser de resulterende passer (solid grøn linje) af de målte data (tynde støjende linje) ved hjælp af ligningerne præsenteret i afsnit observeres 4. Fremragende aftale, der bekræfter, at valget af grundlaget chromophorer og sprede form tilfredsstillende vis at beskrive musen huden model.

Figur 4 viser relative ændringer i huden STO 2 til forskellige tidspunkter (6, 9, 12 dage) i en bestrålet mus kohorte (n = 8), mens figur 5 viser de tilsvarende kvalitative hud reaktion scores. Observeres en progressiv stigning i Sto 2, som er statistisk forskellig i forhold til præ-bestråling Værdier over alle 3 dage (p <0,05). Disse tendenser afspejler de visuelt observerede stigninger i hudskader sværhedsgrad at toppe på dag 12 (gennemsnitlig score på ~ 3) viser potentialet i Sto 2 som en visuel scoring surrogat (figur 5).

Det skal bemærkes, at ingen statistisk signifikante ændringer blev observeret for nogen af ​​de returnerede optiske biomarkører for denikke bestrålet kontrolgruppe (n = 3) i løbet af de 12 dage målte (data ikke vist). Ændringer i A og k kan også overvåges over tid (figur 6), og disse viser, at spredningen hudens egenskaber ændrer sig i respons for strålingen.

figur 1
Figur 1. DOS instrumentering. (A) Skematisk af diffus reflektans måling geometri (B) Fiber-optisk sonde:. Den optiske sonde består af en lineær række på 200 um kerne optiske fibre, der er samlet i en 18 G metal nål og fordelte 260 um fra hinanden. To source fibre er koblet til to bredbånd lysemitterende dioder mens en detektering fiber er forbundet til et optisk spektrometer. Ved sekventielt at tænde hver kilde, kan spektrometret indsamle diffus reflektans i afstande på 260 um og520 um fra hver af kilden fibre (C) Komplet DOS system, herunder laptop, vedhæftet fiberoptisk probe og optik box:. Et automatiseret datafangst program anvendes til at drive den sekventielle samling af spektre. Elektronikken er placeret i en overtagelse boks, der forbinder til fiberoptiske sonde via SMA-stik. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
.. Figur 2 Spectral forarbejdning Alle x-aksen skalaer er i nm: (A) Raw relative spektre, basislinjen er aflæsningen ca. mellem 900 - 1.000 nm og omtrent lig med baggrundssignalet (B) Relativ baggrund læsning (C.. ) Baggrund og baseline trukket relative s pectra. (D) Absolutely kalibreret spektrum efter skalering af forarbejdet spektre vist i (C). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Typisk hvidt lys reflektans spektre af ikke-bestrålet (venstre) og bestrålede (højre) musehud 6 dage efter bestråling. Fremragende aftale mellem måling (støjende blå) og passer (grønt) blev typisk observeret. To vigtige forskelle blev set mellem de to grupper: 1) en samlet stigning i absolut reflektans og 2) en klar ændring i spektral form mellem 550 - 600 nm. Med tilladelse fra Yohan et al. 2014 5.> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Ændring i iltning brøkdel af mus huden efter 40 Gy bestråling. Det baseline-normaliseret gennemsnitlige forskel mellem de to grupper (per mus) er signifikant for Days 6 (boks 1), 9 (boks 2) og 12 (boks 3 ). Med tilladelse fra Yohan et al. 2014 5. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Gennemsnitlige kvalitativ hudreaktioner scores (n = 8) som en funktion af dage efter 40 Gy bestrålede mus hud. Tilpasset fra Yohan et al. 2014 5. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6. Relative ændringer i A og K i musehud efter 40 Gy bestråling på dag 6 (boks 1), 9 (boks 2) og 12 (boks 3). Ændringen i A (venstre side) og k (højre side) på dag 6 (boks 1, venstre og højre side) blev fundet at være signifikant (p <0,026). Med tilladelse fra Yohan et al. 2014 5. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

En DOS metode til kvantitativ vurdering af stråling hud toksiciteter anvender optiske biomarkører er blevet præsenteret. Visuelle hud toksicitet pointsystemer kræver ekspert uddannelse og selv da er tilbøjelige til at inter-observatør variation og subjektivitet. DOS-systemet og analyse software er enkel at bruge, kræver minimal træning og returnerer objektive funktionelle parametre for at fortolke fysiologiske forandringer i huden. Desuden stedet for at beskrive udseendet af en hud læsion som en enkelt parameter, DOS giver, et væld af oplysninger i spektral form, optiske egenskaber og funktionelle / mikrostrukturelle parametre, der tilbyder en ekstra grad af følsomhed og specificitet ikke tilgængelig i de nuværende kvalitative scoring metoder. §§ 1 og 7 fremhæve de vigtigste forarbejdningstrin for at opnå absolutte spektrale data, der kan anvendes til kvantitativ montering af optiske biomarkører. Baggrund og baseline subtraktion er afgørende for at tillade brugeren at udføreDOS målingerne under normale lysforhold. Afsnit 8 giver de nødvendige modeller og ligninger er nødvendige for at beskrive athymiske mus før og efter røntgenbestråling. Her er valget af passende absorbere er afgørende for en nøjagtig beskrivelse af den målte spektre. Det anbefales, at brugeren grundigt undersøge i litteraturen de vigtigste absorbenter, der dominerer bølgelængdeområdet og væv af interesse anvendes i en given undersøgelse forud for konstruere en optisk biomarkør fitting model. Endelig §§ 3-5 beskriver håndtering af athymiske mus under DOS erhvervelse. For at undgå at forstyrre den lokale vaskulatur, bruge blide kraft til at placere DOS sonden på musen hudoverfladen.

Mens relativt billig sammenlignet med hyperspektrale kamerasystemer 3,4, en klar begrænsning af den beskrevne DOS fremgangsmåde er anvendelsen af et punkt sonde til måling diffus reflektans. Denne reflektans geometri fornødenheder blid berøring med huden oghar potentialet til at indføre måleusikkerheden ved dispergering vaskulaturen hvis konsekvente probe-hud tryk ikke anvendes. Fremtidige design af DOS probe kan omfatte en trykføler til at opretholde ensartede resultater. Medens anvendelsen af ​​tæt source-detektor separation (<2-3 mm) muliggør optiske probing dybder specifikke til hudoverfladen, den forbedret specificitet kommer på et tab af rumlig opløsning sammenlignet med 2D hyperspektral billeddannelse. For at minimere denne begrænsning, 5 point kvadrant scanning, der fanger den samlede bestrålede volumen blev ansat. På trods af den manglende geografiske opløsning, har tidligere arbejdet i mus 5 vist evne optiske biomarkører i gennemsnit over en sparsom område at skelne ikke blot bestrålet og ikke-bestrålet hud, men også virkningen af huden besparende interventionelle stoffer som Vasculotide 6.

Det skal bemærkes, at mens det samlede system design kan modificeres til forskellige hud modeller, kan den underliggende basis spektre og spredende form skal optimeres. Specifikt mens oxy- og deoxy-Hb godt beskrive en athymisk musemodel, anvendelsen af ​​den samme model til mørkere hud kan kræve tilsætning af melanin for optimal tilpasning. Desuden udvidelse af DOS båndbredde til højere bølgelængder> 950 nm ville nødvendiggøre tilsætning af vand, der dominerer ved højere bølgelængder. Endvidere kan dyremodeller med forskellige hud tykkelser kræver en anden kilde-detektor adskillelse for at optimere dybde følsomhed. Endelig den hårløse funktion gør algoritmer enklere. Selv ikke-hårløse modeller kan være optimalt for visse forskningsspørgsmål, vil de kræve hårfjerning før DOS-målinger, og hudirritation fra denne proces kan påvirke resultaterne. Til forskning hvor samlet immunfunktion er afgørende, et immunkompetente hårløse mus (f.eks SKH-1) kan tjene som en bedre model grundet dens euthymiske karakter.

ent "> Vigtige overvejelser for DOS probe målinger er konsekvent RT og estimering af det bestrålede område. Temperatur udsving kan påvirke væv Hb og STO 2 niveauer. Måling en gruppe på 3 ikke-bestrålede dyr på hver dataindsamling gang kan tjene som en baseline til som utilsigtede miljømæssige udsving i parameterværdier kan normaliseres. Derudover kan det bestrålede område være svært at estimere (hvis huden flap præparater ikke var i overensstemmelse) før skaden begynder at manifestere visuelt omkring dag 5 (40 Gy). Hvis du bruger sort permanent markør til dot grænserne for stråling-eksponeret hud, undgå overdreven brug blæk for at forhindre, at blækket udtværes, som kan kompromittere aflæsninger.

En ekstra funktion i systemet er evnen til at adskille absorption fra lysspredende egenskaber. Mens alternative hyperspektrale billeddannelse også give mulighed for at overvåge oxyHb og Hb-koncentration, den frie plads geometri hyperspektral imaging i s stand til at løse spredning ændringer. Denne begrænsning kan medføre unøjagtigheder i den returnerede oxyHb, Hb og STO 2 parametre, hvis der opstår væsentlige ændringer i spredning på grund af erytem (rødme). Endvidere kan overvågning af spredning ændringer ved hjælp DOS give yderligere optiske biomarkører for erythema evaluering. Som vist i figur 6, de første resultater fra Yohan et al. (2014) viser, at A og k demonstrere en tidsmæssig tendens følgende ioniserende stråling, der ikke korrelerer med tendenser fra andre alternative metoder såsom visuelle pointsystemer. Dette indikerer, at spredende ændringer ikke manifestere i en visuelt beskrivende måde og faktisk kan beskrive en særskilt biologisk proces. Derfor sammenlignet med alternative metoder, DOS giver en høj opløsning til overfladiske scattering ændringer, en vej til at undersøge nye hudskader biomarkører, der kan være adskilt fra de sædvanlige Hb-baserede målinger.

jove_content "> Selvom vores model anvender en stor enkelt strålingsdosis (snarere end flere små fraktionerede doser, der anvendes i kliniske omgivelser) Dette efterligner patofysiologien af akutte menneskelig hud radiotoksiciteten 21. Det forudses, at med yderligere optimering, kan DOS tilvejebringe en kvantitativ tilgang til automatiseret og standardiseret scoring af stråling fremkaldt hudreaktioner. efter mastering denne teknik, kan fremtidige applikationer omfatte overvågning forskelle mellem hud besparende lægemidler (fx sammenligner oxyHb niveauer mellem en kontrol og eksperimentel behandling for hud radiobeskyttelse, eller til sårheling forfremmelse ). Mens ideelt til high-throughput lægemiddel-screening i dyremodeller, DOS-systemet er potentielt tilpasses det kliniske miljø som følge af lette anvendelighed og evnen til at måle under normale lysforhold. i dette tilfælde kan proben design kræve mindre modifikationer med lidt større optode separationer at tage højde forden forøgede tykkelse af den menneskelige hud. En klinisk DOS system vil give mulighed for on-line evaluering af interventionelle terapier, der kunne minimere smertefulde hudreaktioner og forbedre patientens komfort og compliance. I fremtiden kan det være interessant at udvide DOS-baserede kvantificering til funktionerne i kronisk strålingsinduceret beskadigelse af huden (f.eks fibrose).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Nude mice e.g., Charles River Athymic nude Crl:NU(NCr)-Foxn1nu, or immunocompetent nude Crl:SKH1-Hrhr
Small animal irradiator  e.g., Faxitron X-Ray Corp. Faxitron CP160
Animal anaesthesia  If using isoflurane vaporizer machine with induction chamber, need tube and nose cone.
Lead jig and plexiglass stage Custom made If irradiator device exposes whole animal body to radiation, lead shielding must be used to expose only the skin flap.
Medical tape 
Permanent marker/ear puncher
Matlab Mathworks Inc., Natick, MA With StatisticsToolbox 
Labview National Instruments, Vaudreuil-Dorian, QB
DOS system
Optical multiplexer Ocean Optics, Dunedin, FL Model MPM-2000
Spectrometer Ocean Optics, Dunedin, FL Model S200
White light source Ocean Optics, Dunedin, FL Model LS-1
Intralipid-20% Kabi Pharmacia, New York, NY
Reflectance standard INO, Quebec City, QB

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Hall, E. J., Giaccia, A. J. Radiobiology for the Radiologist. J.B. Lippincott Company. Philadelphia. (2011).
  2. Ryan, J. L. Ionizing Radiation: The Good, the Bad, and the Ugly. J Invest Dermatol. 132, 985-993 (2012).
  3. 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. Chin, M. S., et al. Skin perfusion and oxygenation changes in radiation fibrosis. Plast. Reconstr. Surg. 131, (4), 707-716 (2013).
  5. 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. Korpela, E. Vasculotide, an Angiopoietin-1 mimetic reduces acute skin ionizing radiation damage in a preclinical mouse model. BMC Cancer. 14, 614 (2014).
  7. Stamatas, G. N., Kollias, N. In vivo documentation of cutaneous inflammation using spectral imaging. J. Biomed. Opt. 12, (5), 051603 (2007).
  8. 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. 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. 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. Denham, J. W., Hauer-Jensen, M. The radiotherapeutic injury-a complex 'wound'. Radiother. Oncol. 63, (2), 129-145 (2002).
  12. 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. 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. 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. 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. 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. Corlu, A. Uniqueness and wavelength optimization in continuous-wave multispectral diffuse optical tomography. Opt. Lett. 28, 2339-2341 (2003).
  18. Chin, L., Lloyd, B., Whelan, W. M., Vitkin, A. Interstitial point radiance spectroscopy of turbid media. J App Physics. 105, 102025 (2009).
  19. Prahl, S. Tabulated Molar Extinction Coefficient for Hemoglobin in Water. http://omlc.ogi.edu/spectra/hemoglobin/summary.html (1998).
  20. 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. Williams, J. P., et al. Animal models for medical countermeasures to radiation exposure. Radiat. Res. 173, (4), 557-578 (2010).
Diffus optisk spektroskopi til kvantitativ vurdering af akut ioniserende stråling induceret hudtoksicitet Brug af mus Model
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chin, L., Korpela, E., Kim, A., Yohan, D., Niu, C., Wilson, B. C., Liu, S. K. Diffuse Optical Spectroscopy for the Quantitative Assessment of Acute Ionizing Radiation Induced Skin Toxicity Using a Mouse Model. J. Vis. Exp. (111), e53573, doi:10.3791/53573 (2016).More

Chin, L., Korpela, E., Kim, A., Yohan, D., Niu, C., Wilson, B. C., Liu, S. K. Diffuse Optical Spectroscopy for the Quantitative Assessment of Acute Ionizing Radiation Induced Skin Toxicity Using a Mouse Model. J. Vis. Exp. (111), e53573, doi:10.3791/53573 (2016).

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