We present a diffuse optical spectroscopic (DOS) approach that provides quantitative optical biomarkers of skin response to radiation. We describe DOS instrumentation design, optical parameters extraction algorithms and the animal handling procedures required to yield representative data from a pre-clinical mouse model of radiation induced erythema.
Acute skin toxicities from ionizing radiation (IR) are a common side effect from therapeutic courses of external beam radiation therapy (RT) and negatively impact patient quality of life and long term survival. Advances in the understanding of the biological pathways associated with normal tissue toxicities have allowed for the development of interventional drugs, however, current response studies are limited by a lack of quantitative metrics for assessing the severity of skin reactions. Here we present a diffuse optical spectroscopic (DOS) approach that provides quantitative optical biomarkers of skin response to radiation. We describe the instrumentation design of the DOS system as well as the inversion algorithm for extracting the optical parameters. Finally, to demonstrate clinical utility, we present representative data from a pre-clinical mouse model of radiation induced erythema and compare the results with a commonly employed visual scoring. The described DOS method offers an objective, high through-put evaluation of skin toxicity via functional response that is translatable to the clinical setting.
Les améliorations technologiques en radiothérapie (RT) la planification et la livraison permettent maintenant des doses thérapeutiques hautement conformes à livrer à la région de la tumeur, tout en épargnant simultanément les structures environnantes normales. Pourtant, les toxicités aiguës et parfois sévères sont inévitables lorsque la cible à haute dose est à proximité de la peau. Si assez sévères, les lésions tissulaires normales résultant peut avoir une incidence négative sur le résultat du traitement RT et la qualité de vie des patients 1,2.
Malgré les conséquences néfastes, la gestion actuelle de l'érythème cutané de rayonnement reste non spécifique, en utilisant des crèmes ou des pommades qui ignorent les mécanismes biologiques sous-jacents menant à des dommages. Ces approches sont basées sur la diminution des symptômes plutôt que la cause. En outre, le calendrier et l'administration des thérapies interventionnelles est compliquée par la nature qualitative et subjective de l'évaluation des lésions de la peau de rayonnement. Alors que plusieurs ont reconnuorganisations (RTOG, EORTC) fournir des recommandations de classement visuel, les institutions varient dans leur choix de notation préféré, occultant ainsi les comparaisons des toxicités de tissus normaux aux fins de méta-analyses. En outre, ces systèmes de classement sont rudimentaires et sujettes à la variabilité inter-observateur, tels que les différences de rayonnement gravité des blessures peuvent être indiscernable dans les études d'évaluation des stratégies de réduction de la toxicité.
Plutôt que de décrire visuellement le degré d'érythème dans la peau irradiée, une autre approche consiste à mesurer des paramètres qui décrivent quantitativement les changements physiologiques sous-jacents qui se produisent dans l'organe. Hémoglobine (Hb), la saturation en oxygène du tissu (sto 2) ou de l' hémoglobine oxygénée (oxyHb) les niveaux ont été utilisés comme substituts pour l' érythème induit par irradiation chez la souris 3-6. Après irradiation, les niveaux Hb totaux subissent des fluctuations, mais oxyHb ou StO 2 subissent une forte hausse début caractéristique, suivi d'unl' automne et une autre augmentation de 3,6 plus persistante. Quand les irritants sont utilisées pour induire l' érythème cutané, les niveaux de oxyHb vasculaires sont en corrélation directe avec la sévérité de l'érythème et de l' inflammation locale 7.
Diffuse spectroscopie optique (DOS) utilise la lumière infrarouge proche pour fournir des informations fonctionnelles sur les composants biochimiques et microstructure des tissus vitaux composants. Cette technologie optique quantitative, non-invasive offre une méthode pour mesurer la vasodilatation induite par les cytokines dans les vaisseaux sanguins qui se produisent au cours de l' érythème par des substituts fonctionnels de concentration Hb et StO 2. Des études récentes comparant les paramètres mesurés avec DOS méthodes de notation cliniques contrôlés 8-11 montrent le potentiel de cette technique pour surmonter les limitations inhérentes à la classification actuelle systèmes.
Nous décrivons ici un, système DOS en interne portable qui emploie des substituts fonctionnels pour quantitativement detedifférences ction de la toxicité induite par le rayonnement dans la peau d' un modèle de souris pré-clinique 5. La plate-forme décrit peut fournir un moyen de notation standardisée érythème avec une grande sensibilité pour la détection précoce et la différenciation subtile de la réponse d'intervention de la drogue. En outre, avec seulement des adaptations mineures, l'instrumentation peut éventuellement être employé en clinique pour la surveillance de chevet en temps réel.
Une approche DOS pour évaluer quantitativement les toxicités de la peau de rayonnement à l'aide de biomarqueurs optiques a été présenté. systèmes de notation visuelle de toxicité de la peau exigent une formation spécialisée et même alors, sont sujettes à la variabilité et de la subjectivité inter-observateur. Le système et l'analyse des logiciels DOS est simple à utiliser, nécessite un minimum de formation et renvoie les paramètres fonctionnels objectifs pour interpréter les changements physiologiques dans la peau. En outre, au lieu de décrire l'apparition d'une lésion de la peau comme un seul paramètre, DOS fournit une mine d'informations en forme spectrale, propriétés optiques et paramètres fonctionnels / microstructure qui offrent un degré supplémentaire de sensibilité et de spécificité non disponible dans les méthodes de notation qualitatives actuelles. Les articles 1 et 7 mettent en évidence les principales étapes de traitement pour obtenir des données spectrales absolues qui peuvent être utilisés pour le montage quantitative des biomarqueurs optiques. Contexte et base de soustraction sont indispensables pour permettre à l'utilisateur d'effectuerles mesures DOS dans des conditions d'éclairage normales. La section 8 fournit les modèles et les équations nécessaires pour décrire des souris athymiques avant et après irradiation aux rayons X nécessaire. Ici, le choix d'absorbeurs appropriés est vital pour une description précise des spectres mesurés. Il est conseillé que l'utilisateur une enquête approfondie dans la littérature les absorbeurs clés qui dominent la gamme de longueurs d'onde et de tissus d'intérêt utilisé dans une étude donnée avant de construire un modèle approprié de biomarqueur optique. Enfin, les sections 3-5 décrivent la manipulation de la souris athymiques lors de l'acquisition du DOS. Pour ne pas perturber la vascularisation locale, utilisez la force douce pour placer la sonde DOS sur la surface de la peau de la souris.
Bien que relativement peu coûteux par rapport aux systèmes de caméra hyperspectrale 3,4, une limitation claire de l'approche DOS décrit est l'utilisation d'une sonde de point pour mesurer la réflectance diffuse. Cette nécessité de la géométrie de réflectance le contact doux avec la peau eta le potentiel d'introduire l'incertitude de mesure en dispersant la vascularisation si une pression constante sonde peau est sans emploi. conceptions futures de la sonde DOS peuvent incorporer un capteur de pression pour maintenir des résultats cohérents. En outre, alors que l'utilisation de près la séparation source-détecteur (<2-3 mm) permet à des profondeurs de sondage optiques spécifiques à la surface de la peau, la spécificité améliorée vient à une perte de résolution spatiale par rapport à l'imagerie hyperspectrale 2D. Pour minimiser cette limitation, un balayage de quadrant 5 points qui capture le volume irradié global a été utilisé. Malgré l'absence de résolution spatiale, les travaux antérieurs chez des souris 5 a montré la capacité des biomarqueurs optiques en moyenne sur une zone clairsemée pour différencier non seulement la peau irradiée et non irradiée , mais aussi l'impact de la peau en épargnant les médicaments interventionnels tels que vasculotide 6.
Il convient de noter que, bien que la conception globale du système peut être modifié pour une peau différente modèles, la forme sous-jacente des spectres de base et de diffusion peuvent avoir besoin d'être optimisé. Plus précisément, alors que oxy- et désoxy-Hb bien décrire un modèle de souris athymiques, l'application du même modèle à la peau plus foncée peut nécessiter l'ajout de mélanine pour un ajustement optimal. En outre, l'extension de la bande passante DOS aux longueurs d'onde supérieures> 950 nm nécessiterait l'ajout d'eau, qui domine à des longueurs d'onde plus élevées. En outre, des modèles animaux avec des épaisseurs différentes de la peau peuvent nécessiter une autre séparation source-détecteur afin d'optimiser la sensibilité de la profondeur. Enfin, la fonction glabre fait des algorithmes plus simples. Bien que les modèles non-glabres peuvent être optimales pour certaines questions de recherche, ils auront besoin d'épilation avant que les mesures DOS, et l'irritation de la peau de ce processus peuvent influer sur les résultats. Pour la recherche où la fonction immunitaire totale est cruciale, une souris sans poils immunocompétent (par exemple, SKH-1) peut servir de meilleur modèle en raison de sa nature euthymique.
ent "> Considérations importantes pour les mesures de la sonde DOS sont compatibles RT et l' estimation de la zone irradiée. Les fluctuations de température peuvent affecter les tissus Hb et Sto 2 niveaux. Mesure d' un groupe de 3 animaux non irradiés à chaque moment de la collecte de données peut servir de base à qui fluctuations environnementales inattendues des valeurs des paramètres peuvent être normalisées. en outre, la zone irradiée peut être difficile à estimer (si les préparatifs des volets de la peau ne sont pas compatibles) avant que des dommages commence à se manifester visuellement autour du jour 5 (40 Gy). Si vous utilisez un marqueur permanent noir les points sur les limites de la peau exposée au rayonnement, d'éviter la consommation d'encre en excès pour empêcher le maculage d'encre, ce qui peut compromettre la lecture.Une caractéristique supplémentaire de ce système est la possibilité de séparer l'absorption des propriétés de dispersion. Alors que les systèmes d'imagerie hyperspectrale alternatives offrent également la possibilité de surveiller et de concentration oxyHb Hb, la géométrie espace libre d'imagerie hyperspectrale i s incapables de résoudre les changements de diffusion. Cette limitation peut entraîner des imprécisions dans le retourné oxyHb, Hb et Sto 2 paramètres si des changements importants dans la diffusion se produisent en raison de l' érythème (rougeur). En outre, la surveillance des changements de diffusion en utilisant DOS peut fournir des biomarqueurs optiques supplémentaires pour l'évaluation de l'érythème. Comme le montre la figure 6, les premiers résultats de Yohan et al. (2014) indiquent que A et k montrent une tendance temporelle suivante rayonnements ionisants qui ne correspond pas avec les tendances observées à partir d' autres méthodes telles que les systèmes de notation visuelle. Cela indique que les changements de diffusion ne manifestent pas d'une manière visuellement descriptive et peuvent en fait être la description d'un processus biologique séparé. Par conséquent, par rapport à d'autres méthodes, DOS fournit une haute résolution pour les changements de diffusion superficielles, une avenue pour étudier de nouvelles lésions cutanées biomarqueurs qui peuvent être séparés à partir des mesures à base de Hb habituelles.
jove_content "> Bien que notre modèle utilise une seule dose importante de rayonnement (plutôt que plusieurs petites doses fractionnées qui sont utilisés dans le cadre clinique), cette imite la physiopathologie de aiguë radiotoxicité de la peau humaine 21. Il est prévu que , avec une optimisation plus poussée, DOS peut fournir une approche quantitative pour la notation automatisée et standardisée de rayonnement induit des réactions cutanées. Après avoir maîtrisé cette technique, les applications futures peuvent comporter des écarts entre la peau thérapeutique épargnant la surveillance (par exemple, la comparaison des niveaux oxyHb entre un contrôle et le traitement expérimental pour la radioprotection de la peau, ou pour la cicatrisation promotion ). Bien idéal pour criblage à haut débit de la drogue dans des modèles animaux, le système DOS est potentiellement adaptable à l'environnement clinique en raison de la facilité d'utilisation et la capacité de mesurer dans des conditions normales d'éclairage. dans ce cas, la conception de la sonde peut nécessiter des modifications mineures avec un peu plus grandes optode séparations pour tenir compte desl'épaisseur accrue de la peau humaine. Un système DOS clinique permettrait d'évaluation en ligne des thérapies interventionnelles qui pourraient minimiser les réactions cutanées douloureuses et d'améliorer le confort du patient et de la conformité. À l'avenir, il peut être intéressant d'élargir la quantification DOS aux caractéristiques des lésions de la peau induit par rayonnement chronique (par exemple, la fibrose).The authors have nothing to disclose.
This work was supported by research grants awarded to SKL from Abbott CARO (Canadian Association of Radiation Oncologists) Uro-Oncologic Radiation Awards and the Alan E. Tiffin Foundation. EK was supported by the Frederick Banting and Charles Best Canada Graduate Scholarship, the Scace Graduate Fellowship in Prostate Cancer Research and Paul Starita Graduate Student Fellowship.
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 |