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Medicine

Diffuse Optische Spektroskopie zur quantitativen Beurteilung Akute ionisierender Strahlung induzierte Hauttoxizität Mit einem Maus-Modell

doi: 10.3791/53573 Published: May 27, 2016

Introduction

Technologische Verbesserungen in der Strahlentherapie (RT) Planung und Lieferung jetzt hochkonformale therapeutischen Dosen zu ermöglichen, in die Tumorregion geliefert werden, während gleichzeitig normale umgebenden Strukturen zu schonen. Noch, akute und manchmal schwere Toxizitäten sind unvermeidbar, wenn die hohe Dosis Ziel in der Nähe der Haut. Wenn eine schwere genug ist , kann das resultierende normale Gewebeschäden wirken sich negativ auf die RT Behandlungsergebnisse und Lebensqualität der Patienten 1,2.

Trotz der nachteiligen Folgen, bleibt vorhanden Management von Strahlung Hautrötung unspezifisch, unter Verwendung von Cremes oder Salben, die die zugrunde liegenden biologischen Mechanismen, die zu Schäden ignorieren. Diese Ansätze basieren auf Symptome und nicht die Ursache zu minimieren. Darüber hinaus ist die zeitliche Planung und Verwaltung von interventionellen Therapien durch die qualitative und subjektive Natur der Strahlung Hautverletzungen Beurteilung kompliziert. Während mehrere anerkanntOrganisationen (RTOG, EORTC) visuelle Einstufung Empfehlungen bieten, variieren Institutionen bei der Wahl der bevorzugten Scoring, wodurch Vergleiche von normalem Gewebe Toxizitäten für die Zwecke der Meta-Analysen verschleiern. Ferner sind solche Sortiersysteme grob und anfällig für Inter-observer Variabilität, so dass Unterschiede in der Schwere Strahlenschäden in Studien ununterscheidbar sein können Strategien Toxizitätsminderung auswertet.

Anstatt visuell den Grad der Erytheme in bestrahlte Haut beschreibt, ist ein alternativer Ansatz Parameter zu messen, die quantitativ die zugrunde liegenden physiologischen Veränderungen beschreiben, die in das Organ auftritt. Blut - Hämoglobin (Hb), Gewebesauerstoffsättigung (StO 2) oder oxygeniertem Hämoglobin (Oxy - Hb) Levels wurden als Stellvertreter für die Bestrahlung induzierten Erythem bei Mäusen 3-6 verwendet. Nach der Bestrahlung unterziehen Gesamthämoglobinspiegel Schwankungen, aber Oxy - Hb oder StO 2 durchlaufen einen charakteristischen frühen starken Anstieg, gefolgt von einemfallen und ein weiterer hartnäckiger Anstieg 3,6. Wenn Reizstoffe verwendet werden Hauterythem, vaskuläre Oxy - Hb Ebenen direkt mit der Schwere der lokalen Erythem und Entzündungen 7 korrelieren zu induzieren.

Diffuse optische Spektroskopie (DOS) verwendet Nahinfrarotlicht funktionelle Informationen über die biochemischen und mikrostrukturellen Bestandteile von lebenswichtigen Geweben Komponenten. Diese quantitative, non-invasive optische Technologie bietet eine Methode , um die Cytokin-induzierte Vasodilatation in Blutgefäße zu messen , die 2 während Erythema über funktionelle Surrogate Hb - Konzentration und StO auftreten. Jüngste Studien DOS gemessenen Parameter mit kontrollierten klinischen Scoring - Methoden 8-11 Vergleich zeigen das Potential der Technik zur Überwindung der Beschränkungen , die den aktuellen Sortier Systemen.

Hier beschreiben wir ein hauseigenes, tragbar, DOS-System, das für die quantitative dete funktionelle Surrogate beschäftigtfesselndes Unterschiede in strahleninduzierten Hauttoxizität in einem präklinischen Mausmodell 5. Die beschriebene Plattform kann für die Früherkennung und subtile Differenzierung der interventionellen Ansprechen auf das Medikament mit hoher Empfindlichkeit eine mittels standardisierter Erythem Scoring bieten. Darüber hinaus mit nur geringfügigen Anpassungen kann die Instrumentierung schließlich klinisch zur Überwachung am Krankenbett in Echtzeit verwendet werden.

Protocol

Die folgenden Methoden sind in Übereinstimmung mit den Richtlinien des Sunnybrook Research Institute Animal Care Ethikkommission.

1. Diffuse Reflexionsspektroskopie-System

  1. Sammeln diffuse Reflexionsspektren eines Handheld, faseroptischen Sonde und tragbare spektroskopische Erfassungssystem verwenden , das zuvor beschrieben worden ist (Kim et al. 2010) und ist in 1 (und verwandten Bildunterschriften) auf Vollständigkeit 1,2 kurz überprüft.

2. Herstellung von Maus-Modell der akuten Strahlenhautschäden

  1. Um 6-Wochen alten Mäusen (vorzugsweise hairless wie athymischen oder SKH-1) und damit sie vor dem Start der Experimente in Tiereinrichtung für eine Woche akklimatisiert. Reserve mindestens 3 Mäuse für eine nicht-bestrahlten Kontrollgruppe und 5 Mäuse für eine bestrahlte Gruppe.
  2. Vor Studienbeginn DOS Messungen und Bestrahlung, beschriften Sie die Mäuse Ohr Schläge oder dauerhafte Markierung m mitarkings auf den Schwanz. Wenn Mäuse nicht nackt sind, entfernen Sie die Haare auf einem 2 cm mal 2 cm Flecken Flanke Haut, aber diese kann Hautreizungen verursachen.

3. Diffuse Optische Spektroskopie Datenerfassung

  1. Schalten Sie die Stromversorgung der Elektronik.
  2. Für Mäusehaut, stellen Sie die Signalparameter für die Erfassungssoftware von 25 msec für Sammelzeit eingeben, 25 für die Signalmittelwerte und 1 für Boxcar Filterbreite. Diese Parameter bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Erfassungszeit und Signal-Rausch.
  3. Mit Hilfe eigener Software programmiert Erwerb erwerben automatisch eine Hintergrundmessung, R bg (LED aus) und diffuse Reflexion an zwei Quellen-Detektor - Abstände, R mess (260 & mgr; m, 520 & mgr; m) , indem Sie die Schaltfläche "Erfassen" klicken. Die Gesamtaufnahmezeit ist ~ 2 sec.
  4. Schalten Sie alle fluoreszierenden Raumbeleuchtung durch Drücken auf den Raumlichtschalter, bevor die Messungen durchführen.
    HINWEIS: Fluorescent Raumlicht mit dem erfassten Signal stören (diese Lichter erzeugen eine zeitlich veränderliche Lichtintensität und somit ist es schwierig, als ein Hintergrundsignal zu subtrahieren). Obwohl Glühlampen eingesetzt werden können, in einer Entfernung, die Lichter zu halten von der DOS-Sonde hohen Hintergrundwerten (und schlechtes Signal-Rauschen) zu vermeiden.

4. Tier Anästhesie und Baseline-DOS-Messungen

  1. Bereiten Sie die Anästhesiegerät, indem sichergestellt wird, dass alle Verbindungen intakt sind und Flüssigkeit Isofluran Niveau angemessen ist. Verwenden Sie eine Anästhesie Induktionskammer mit einem daran befestigten Rohr und Bugnase, die in bequemer Reichweite des DOS-Sonde eine sterilisierte, weich gepolsterte Fläche abgeklebt werden können.
  2. einen Käfig von Mäusen zu einem Zeitpunkt in der Induktionskammer anästhesieren durch 30 sec mit 4% Isofluran zu induzieren. Senken Sie die Isofluran belaufen sich auf 2% für die nächsten 2 min. Stellen Sie sicher, dass die Maus durch die Beobachtung keine Antwort von Kneifen einen Zeh des hinteren Gliedmaßen anästhesiert wird.
  3. Schnellbewegen eine Maus auf den sterilisierten DOS Sondieren Bereich, legen Sie sie auf die Seite, ziehen seine Schnauze in den Nasenkegel und öffnen Sie den Nasenkegel Schlauch an den Fluss der Anästhesie (2% Isofluran).
    HINWEIS: Wenn das Verfahren länger dauert als 1 bis 2 min, gelten Tierarzt Salbe auf die Augen Trockenheit zu verhindern.
  4. Vor dem Erfassen Messungen Mäusehaut, sterilisieren die Sonde durch mit 70% Ethanol abwischen. Sie nicht die Haut zu sterilisieren.
  5. Die Sonde sanft auf der Flanke Haut darauf achten, zu vermeiden, dass die lokale Gefäß verteilen. Halten Sie die Sonde mit der Hand für die Dauer der Messung.
  6. Erwerben Reflexionsdaten durch einen Flankenhautfläche von etwa 2 cm mal 2 cm Sondieren (der Bereich bestrahlt werden), indem nach der 5-Punkt-Bildung auf einem Chip. Halten Sie diese Sondierung Muster, Fläche, Sonde Druck und die Körperseite (links oder rechts) konsistent für alle folgenden Messungen.
    HINWEIS: Die komplette Scan ca. 60 sec dauert. Sonde Druck sollte gerade genug, um einen Scan zu erhalten, ohne l DispergierenOcal Gefäße.
  7. Bewegen Sie die Maus in einen Erholungskäfig, und bewegen Sie die Maus über nächste auf der DOS-Probing-Bereich. Wiederholen Sie die Schritte 4,2-4,6, bis alle Mäuse gemessen worden. Verwenden Sie kein Tier unbeaufsichtigt lassen, bis es genügend Bewusstsein zu halten Brustlage wiedergewonnen hat.

5. Tier Bestrahlung

HINWEIS: Dieses Protokoll erfordert die Verwendung eines Bestrahlungsvorrichtung und Tier Zubereitung muss unter Umständen angepasst werden, um die Bedürfnisse des Bestrahlungseinrichtung gerecht zu werden. Während der Bestrahlung sollte nur der kleine Bereich der Flanke Haut zu dem Strahlungsbündel ausgesetzt werden. Die Bestrahlungsvorrichtung sollte in einem sterilen Anlage und geeigneten Käfig Sterilisation befinden sollte beachtet werden, wenn Mäuse auf ihre sterile Gehäusebereich zurückkehrt.

  1. Bereiten Sie die Anästhesiemaschine (wie in den Schritten von 4,1 bis 4,2) und anästhesieren eine Maus zu einem Zeitpunkt in der Induktionskammer, bevor sie zur Bestrahlung vorbereitet.
  2. Entfernen Sie die Maus aus der Induktionskammer, gently kneifen die Flanke Haut und Platz Band über und unter der gespannten Haut, eine Klappe zu bilden.
  3. Platzieren Sie die Maus auf eine Plexiglas-Bühne und bedecken den Körper mit einem benutzerdefinierten Blei jig (ein Arbeitsentwurf ist ein rechteckiger Kasten mit dem Boden und an mindestens einem Ende offen ist, zusammen mit einem Seitenfenster zu ermöglichen Flanke Haut durchgezogen werden). Ziehen Sie die Hautlappen durch das jig Fenster und kleben Sie vorsichtig die Klappe auf die Bühne.
    HINWEIS: Die benutzerdefinierte Blei jig ist klein genug, um die Maus zu immobilisieren. Wenn die benutzerdefinierte jig nicht vollständig mit der Maus zu immobilisieren, dann verwenden, um zusätzliche Verzögerer und / oder Ketamin verabreichen (80 - 100 mg / kg) und Xylazin (10 bis 12,5 mg / kg) über intraperitoneale Injektion mit der Maus über die gesamte Bestrahlung immobilisiert zu halten Verfahren.
  4. Legen Sie das Plexiglas der Bühne mit der Lehre und der Maus in die Bestrahlungsvorrichtung. Bestimmen Sie die Einstellungen (Haut Abstand von Röntgenquelle, Spannung, Dauer und Stromstärke) und liefern die gewünschte Dosis (zB 11 cm von einer 160 kVp x-Strahlquelle für 2,5 min mit 6,3 mA).
    HINWEIS: Seien Sie vorsichtig mit der Röntgenquelle durch Maschineneinsatz Richtlinien nach Verbrennungen und DNA-Schäden zu vermeiden.
    HINWEIS: Nacktmäusen ohne Thymus feuchten Schuppung entwickeln rund 14 Tage Bestrahlung in Reaktion auf 35 Gy posten, aber nur geringe fleckige Abschuppung mit 17 Gy.
  5. Nehmen Sie das Gerät und Maus aus dem Bestrahlungsvorrichtung, entfernen Sie die Abschirmung, entfernen Sie das Band und legen Sie sie in ein individuelles Erholungskäfig. Bringen Sie die Maus in ihren normalen geteilt Käfig, nachdem es von der Anästhesie erholt hat. Wiederholen Sie die Schritte 5,2-5,4 für alle Mäuse und eine Scheinoperation auf Kontrollmäusen durchführen.
  6. Nach der Bestrahlung Haus, um die Tiere in ihren regulären Bedingungen. Wenn anormale Verhalten entwickelt (zB gekrümmte Haltung, die Schmerzen bedeuten kann), konsultieren Sie einen Tierarzt , das Problem zu diagnostizieren. Schmerzlinderung kann gerichtet 0,1 mg / kg Buprenorphin subkutan oder wie durch den Tierarzt enthalten Verabreichung. Wenn Gewichtsverlust von mehr als 20% der normalen body Masse, Haus separat in einem eigenen Käfig und bieten High-Nährstoff Nahrung.

6. Follow-up-DOS-Messungen

  1. Überwachen und zu messen Hautreaktion Intensität der quantitativen DOS-Technik. Sichtprüfung von Hautveränderungen und früheren Arbeiten deuten darauf hin , dass große Änderungen in der DOS - Parameter erwartet werden kann ( im Verhältnis zum Ausgangswert) ca. 6 - 12 Tage nach der Bestrahlung 3,4. Da jedoch merkliche Veränderungen sogar noch früher oder später in Anspruch nehmen, je nach Modell, andere Messzeitpunkten kann nützlich sein, zu untersuchen.
  2. Richten Sie DOS Ausrüstung und Kalibrierungen, wie im Abschnitt 3.Prepare der Anästhesiegerät und DOS Messungen erwerben, wie in Abschnitt 4 beschrieben.

7. Nach der Akquisition Verarbeitung

HINWEIS: Alle Schritte im folgenden Abschnitt werden in einem Hochleistungs-Software-Umgebung erstellt ein benutzerdefiniertes Programm ausgeführt werden. Standardisierte Namens KlosterIonen für jede spektrale Akquisitionsdatei werden verwendet für die Stapelverarbeitung zu ermöglichen. Alle Schritte sind in Abbildung 2 dargestellt.

  1. Ziehen Sie die Basislinie (Grundrauschen) aus allen gemessenen Spektren einschließlich der Hintergrundmessung.
  2. Ziehen Sie den Hintergrund Lesen, R bg (LED aus), erhalten in Schritt 3.3 aus dem Messspektrum, R mess.
    HINWEIS: Für den Rest dieses Artikels alle Spektren werden angenommen Rauschen und Hintergrund werden abgezogen und als R bezeichnet korr.
  3. Konvertieren R korr zur absoluten Reflexions, R abs, wie in den Referenzen 1,2 in Abschnitt 1 beschrieben.
    1. Erhalten relativen Reflexionsmessungen, Rrel, in Intralipid 20%-Phantomen (Fresenius Kabi, Schweden) Phantome mit zunehmender 3% Aliquot Fraktionen bis zu 48% (dh, 3%, 6%, 9%, ..., 48%) und erstellen des Plots von Rrel gegen IntralipidTM Konzentration.
    2. Generieren Sie eine absolute Grundstück von R abs gegen &# 956; s 'für Reflexion der Diffusionsgleichung unter Verwendung von 14.
    3. Entsprechen den Höhepunkt der beiden Kurven und einstellen Rrel x-Achse die R abs x-Achse zu passen.
    4. Bei einer gegebenen Wellenlänge und Quelle-Detektor-Abstand, skalieren die y-Achse unter Verwendung von:
      Abbildung 1
      HINWEIS: Im folgenden Abschnitt werden alle Montage von Messungen R abs beziehen.

8. Spektraldaten Fitting

HINWEIS: Im folgenden Abschnitt wird die Theorie und Anpassungsalgorithmus zum Extrahieren von funktionellen Parametern von Mäusehaut verwendet. Für alle Theorie verwendet, beziehen sich auf die folgenden Artikeln 14 bis 18 und den darin. Alle Gleichungen werden angenommen in einem High-End-wissenschaftliche Software-Umgebung (mit vorprogrammierte Module), die üblicherweise verwendet in der Physik oder Ingenieurlabors programmiert werden.

  1. Programm eine Funktion, die die eine beschreibtbsorption Spektrum, & mgr; a (λ) der Haut als die Summe der einzelnen relevanten Chromophore im Spektralbereich von Interesse unter Verwendung der Gleichung:
    Abbildung 1
    Dabei ist H b der Gesamthämoglobin - Konzentration (g / L), während StO 2 die einheitslose Sauerstoffsättigung von 0 bis 1 reichen.
  2. Erhalten Oxy, Abbildung 1 Und deoxy, Abbildung 1 Hämoglobin - Spektren (als Textdateien gespeichert sind ) aus der Online-Sammlung von Prahl 19.
  3. Programm eine Funktion, die das Streuspektrum von Haut beschreibt, Abbildung 1 , Einem Potenzgesetz Abhängigkeit verwenden, wobei A (cm -1) der Wert von μ s 'bei λ o = 1 nm und k ist ein mittelabhängige Leistungsfaktor16.
  4. Programm eine mathematische Funktion für das Vorwärtsmodell des diffusen Reflexions basierend auf Gleichungen aus Referenz 14, die die spektralen Gleichungen aus den Schritten 8.2 inkorporieren - 8.3 in die Vorwärtsmodellfunktion (dh R (r, & mgr; a (λ), & mgr; s '(λ )) = R (r, H b, StO 2, A, k).
    HINWEIS: Während verschiedene Modelle, die Steady-State-Diffusionstheorie Gleichung stellt eine einfache und genaue Beschreibung der Lichtverteilung im Gewebe.
  5. Programm eine Funktion, die Quadrate der Differenz zwischen dem vorderen modellierten Reflexionsspektren von Abschnitt 8.4 und der gemessenen Reflexionsspektren.
  6. Ändern iterativ H b, StO 2, A und k bis zum kleinsten Quadrate Differenzfunktion in Abschnitt 8.5 am kleinsten ist . Matlab lsqcurvefit kann verwendet werden, um automatisch diesen Schritt durchzuführen.
  7. Repeat Schritte 8,5-8,6 zu DOS - Parameter (H b, StO 2, A und k) erhalten für alle Reflexions Datensätze gemessen.
  8. Zeichnen Sie die relative Änderung der DOS-Parameter mit dem entsprechenden eindeutigen Ausgangsmessung mit dem Durchschnitt jedes Satzes der Maus von 3 bis 5 normalisierte Sonde Punktmessungen. Diese Grundstücke werden mit Matlab Plotbefehl erstellt.

9. Sichtstrahlendermatitis Scoring Zeitraum

  1. Überwachen und Hautreaktion Intensität unter Verwendung eines qualitativen Bewertungsskala (siehe Douglas und Fowler Notenskala 20) nach der Bestrahlung alle 48 Stunden ein Tor (man kann auch Veränderungen beobachten 3-24 h nach der Bestrahlung). Zwei geblendeten Ermittler sind ideal. Der Erwerb Fotos mit einer Handkamera und Referenzskala (dh Lineal) mit Auswertungen helfen.
  2. HINWEIS: helfen optimale DOS Zeiten Messung bestimmen kann alle zwei Tage nach der Bestrahlung der Haut Scoring for das Modell. Häufigere Scoring wichtige Daten je nach Modell und Forschungsfrage kann ergeben.
  3. Zeichnen Sie die Median jeder Gruppe zu jedem Zeitpunkt. Vergleichen Sie Gruppen zu bestimmten Zeitpunkten oder die mittlere Gesamt Bereiche unter jeder Kurve.
  4. Nach Mäuse haben auf den Punkt der Heilung der Haut gefolgt worden , die gewünscht wird (zB 4 Wochen), einschläfern die Mäuse durch eine entsprechende (genehmigt) Methode.

Representative Results

Die DOS-Reflexionstechnik stellt eine objektive Alternative zu herkömmlichen Methoden der qualitativen Strahlung induzierte Hauttoxizität zu bewerten. Optische Veränderungen in Hautaussehen folgenden toxischen Dosen von Strahlung vorhanden, wie Veränderungen in sowohl die Größe und die Form des gemessenen Reflexionsspektren. Beide beziehen sich auf funktionelle Veränderungen in der zugrunde liegenden zellulären Mikrostruktur und physiologische Gewebezustand. In diesem Abschnitt repräsentative Ergebnisse aus zuvor veröffentlichten Arbeiten von Yohan et al. 2014 5 überprüft werden .

Abbildung 3 (links) zeigen repräsentative Spektren (dünne blaue Linien) bei einer 260 & mgr; m Source-Trennung in einer athymischen Maus - Modell der Hautrötung 6 Tage nach der 40 Gy Bestrahlung gemessen. Im Vergleich zu vor der Bestrahlung (Abbildung 3, rechtes Bild), Unterschiede in der spektralen Form bei ~ 550-650 nm beobachtet werden , likely durch in oxygeniertem Hämoglobin zu einer Erhöhung. Ein kleiner Anstieg des absoluten Reflexionsvermögen ist zu sehen, daß auch zu einem Anstieg der Gewebestreuvermögen korreliert. Die beobachteten Spektren am Tag 6 nach der Bestrahlung zu einer visuellen Haut-Score von 0,75 korreliert.

Eine Auswertung von Reflexionsänderungen nach der Bestrahlung bei ausgewählten Wellenlängen nicht die Verwendung des gesamten Reflexionsspektrum machen und trägt auch das Potenzial Frage der Lärmempfindlichkeit. Allerdings ermöglicht das komplette Spektrum der Montage der gesamten Datensatzes in intuitive optische Biomarkern (H b, StO 2) umgewandelt werden. Abbildung 3 zeigen die resultierenden Passungen ( durchgezogene grüne Linie) der gemessenen Daten (dünne laut Linie) unter Verwendung der Gleichungen vorgestellt in Abschnitt 4 eine ausgezeichnete Übereinstimmung bestätigt beobachtet, dass die Wahl der Basis Chromophore und Streu Form angemessen mit der Maus-Hautmodell beschreiben.

Abbildung zeigt 4 relativen Veränderungen in der Haut StO 2 für verschiedene Zeitpunkte (6, 9, 12 Tage) in einem bestrahlten Maus Kohorte (n = 8) , während Figur 5 zeigt die entsprechenden Scores qualitative Hautreaktion. Eine schrittweise Erhöhung der StO 2 wird beobachtet , dass statistisch unterschiedlich ist im Vergleich zu vor der Bestrahlung Werte über alle 3 Tage (p <0,05). Diese Trends spiegeln die visuell beobachtet Anstieg der Hautschäden Schwere , dass Peak bei Tag 12 (Durchschnittsnote von ~ 3) demonstriert das Potenzial von StO2 als visuelle Scoring - Surrogat (Abbildung 5).

Es sollte beachtet werden, daß keine statistisch signifikanten Veränderungen wurden für die für jede der optischen zurück Biomarkern gesehennicht bestrahlte Kontrollgruppe (n = 3) über die 12 Tage gemessen (Daten nicht gezeigt). Änderungen in A und k können auch über die Zeit (Abbildung 6) überwacht werden, und diese zeigen an, dass die Streueigenschaften der Haut werden in Reaktion auf die Strahlung zu verändern.

Abbildung 1
Abbildung 1. DOS Instrumentierung. (A) Schematische Darstellung des diffusen Reflexionsmessgeometrie (B) faseroptischen Sonde. Die optische Sonde besteht aus einer linearen Anordnung von 200 & mgr; m Kern Lichtleitfasern, die in einem 18 G Metallnadel gebündelt sind und in einem Abstand 260 & mgr; m auseinander. Zwei Quellenfasern sind mit zwei Breitband-Leuchtdioden während ein Detektions Faser zu einem optischen Spektrometer verbunden ist. Durch nacheinander auf jede der Quellen drehen kann das Spektrometer sammeln diffuse Reflexion bei Abständen von 260 & mgr; m und520 & mgr; m von jeder der Source - Fasern (C) Komplettes DOS - System einschließlich Laptop befestigt faseroptischen Sonde und optic Box. Eine automatisierte Datenerfassungsprogramm wird verwendet , um die sequentielle Erfassung von Spektren zu treiben. Die Elektronik in einem Erfassungsfeld untergebracht sind , die über SMA - Stecker an die faseroptische Sonde verbindet. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
.. 2 Spectral Verarbeitung Alle x-Achsen - Skalen sind in nm: (A) Raw relativen Spektren, die Basislinie das Lesen liegt etwa zwischen 900 - 1000 nm und etwa gleich dem Hintergrundsignal (B) Relative Hintergrund Lesung (C.. ) Hintergrund und Basis subtrahiert relativ s pectra. (D) Absolut kalibrierte Spektrum folgende Skalierung von verarbeiteten Spektren in (C) gezeigt. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3. Typische weiße Lichtreflexionsspektren von nicht bestrahlten (links) und bestrahlt (rechte) Maushaut 6 Tage nach der Bestrahlung. Eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen Messung (laut blau) und Passungen ( durchgehend grün) wurden in der Regel beobachtet. Zwei wichtige Unterschiede zwischen den beiden Gruppen zu sehen: 1) eine allgemeine Zunahme der absoluten Reflexion und 2) eine deutliche Änderung der spektralen Form zwischen 550-600 nm. Mit der Erlaubnis von Yohan et al. 2014 5.> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4
Figur 4. Änderung in der Sauerstoffanreicherungsfraktion von Maus - Haut nach 40 Gy Bestrahlung. Die Basislinie normierte mittlere Differenz zwischen den beiden Gruppen (pro Maus) ist bezeichnend für Tage 6 (Kasten 1), 9 (Kasten 2) und 12 (Box 3 ). Mit der Erlaubnis von Yohan et al. 2014 5. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 5
Abbildung 5. Durchschnittliche qualitative Hautreaktionen Scores (n = 8) in Abhängigkeit von Tagen nach 40 Gy bestrahlten Mäusen Haut. Angepasst von Yohan et al. 2014 5. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 6
Abbildung 6. Relative Änderungen in A und k der Maus Haut nach 40 Gy Bestrahlung an Tag 6 (Kasten 1), 9 (Kasten 2) und 12 (Kasten 3). Die Veränderung in A (linke Seite) und k (rechte Seite) am Tag 6 (Kasten 1, linke und rechte Seite) wurde festgestellt, signifikant (p <0,026) sein. Mit der Erlaubnis von Yohan et al. 2014 5. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

Ein DOS-Ansatz zur quantitativen Beurteilung der Strahlung Haut Toxizitäten unter Verwendung von optischen Biomarker vorgestellt wurde. Visuelle Hauttoxizität Scoring-Systeme erfordern Ausbildung von Experten und selbst dann sind anfällig für Interobserver Variabilität und Subjektivität. Die DOS-System und Analyse-Software ist einfach zu bedienen, erfordert minimales Training und liefert objektive Funktionsparameter für die Interpretation physiologischen Veränderungen in der Haut. Darüber hinaus kann anstelle das Aussehen einer Hautveränderung als ein einzelner Parameter beschreiben, bietet DOS eine Fülle von Informationen in der spektralen Form, optische Eigenschaften und Funktions / mikrostrukturellen Parametern, die einen zusätzlichen Grad an Sensitivität und Spezifität nicht im aktuellen qualitativen Scoring-Methoden bieten. Die Abschnitte 1 und 7 verdeutlichen die Hauptverarbeitungsschritte zum absoluten spektralen Daten zu erhalten, die für die quantitative Einbau von optischen Biomarkern verwendet werden können. Hintergrund und die Grundlinie Subtraktion sind entscheidend, damit der Benutzer auszuführendie DOS-Messungen unter normalen Lichtverhältnissen. Abschnitt 8 stellt die notwendigen Modelle und Gleichungen benötigt athymischen Mäusen vor und nach der Röntgenbestrahlung zu beschreiben. Dabei ist die Wahl der geeigneten Absorber entscheidend für eine genaue Beschreibung der gemessenen Spektren. Es wird empfohlen, dass der Benutzer sorgfältig die wichtigsten Absorber in der Literatur zu untersuchen, die den Wellenlängenbereich und Gewebe von Interesse in einer gegebenen Studie einen optischen Biomarker zu konstruieren Anpassungsmodell vor verwendet dominieren. Schließlich beschreiben 3-5 Abschnitte die Handhabung der athymischen Mäusen während der DOS-Akquisition. Um zu vermeiden, die lokale Gefäß zu stören, verwenden Sie sanfte Kraft, um die DOS-Sonde auf der Maus Hautoberfläche zu platzieren.

Während relativ preiswert im Vergleich zu hyperspektralen Kamerasysteme 3,4 eine klare Begrenzung der DOS beschriebenen Ansatz ist die Verwendung eines Punkt - Sonde zur Messung der diffusen Reflexion. Diese Reflexionsgeometrie Notwendigkeiten sanften Kontakt mit der Haut undhat das Potenzial, durch Dispergieren des Gefäßsystems, wenn konsistente Sonde-Haut Druck Messunsicherheit einführen nicht verwendet wird. Zukünftige Designs der DOS Sonde kann einen Drucksensor enthalten, um konsistente Ergebnisse beizubehalten. Ferner kann, während die Verwendung von nahe Quelle-Detektor-Abstand (<2-3 mm) für optische Sondierungstiefen spezifisch auf die Hautoberfläche ermöglicht, kommt die verbesserte Spezifität zu einem Verlust der räumlichen Auflösung im Vergleich zu 2D hyperspektralen Abbildungs. Zur Minimierung dieser Einschränkung, einen 5-Punkt-Quadranten-Scan, der das gesamte bestrahlte Volumen erfasst wurde verwendet. Trotz des Fehlens der räumlichen Auflösung, frühere Arbeiten in Mäusen 5 hat die Fähigkeit der optischen Biomarkern gezeigt über einen Sparse - Bereich gemittelt nicht nur bestrahlten und nicht bestrahlten Haut zu differenzieren , sondern auch die Auswirkungen der Haut schonen interventionellen Medikamente wie Vasculotide 6.

Es sollte beachtet werden, dass, während die Gesamtsystem-Design kann für verschiedene Haut modifiziert werden Modelle, die zugrunde liegende Basis Spektren und Streu Form kann optimiert werden müssen. Genauer gesagt, während Oxy- und Desoxy-Hb auch ein athymischen Mausmodell beschreiben, um die Anwendung des gleichen Modells auf dunkler Haut kann die Zugabe von Melanin für optimale Anpassung erfordern. Zusätzlich Verlängerung der DOS Bandbreite zu höheren Wellenlängen> 950 nm die Zugabe von Wasser erforderlich machen würden, die bei höheren Wellenlängen dominiert. Außerdem Tiermodellen mit unterschiedlichen Hautdicken können eine andere Quelle-Detektor-Abstand erfordern Tiefe Empfindlichkeit zu optimieren. Schließlich macht die unbehaarte Feature Algorithmen einfacher. Obwohl nicht haarlos Modelle für bestimmte Forschungsfragen optimal sein können, werden sie Haarentfernung vor DOS-Messungen und Hautreizungen aus diesem Prozess erfordern Ergebnisse beeinflussen können. Für die Forschung , wo insgesamt Immunfunktion von entscheidender Bedeutung ist, ein immunokompetente Nacktmaus (zB SKH-1) kann als ein besseres Modell aufgrund seiner euthymic Natur dienen.

ent "> sind wichtige Überlegungen für DOS Sondenmessungen konsistent RT und Abschätzung des bestrahlten Bereichs. Temperaturschwankungen Gewebe Hb und StO 2 Ebenen beeinflussen können. bei jeder Datenerfassungszeit eine Gruppe von 3 nicht bestrahlten Tiere Messung als Grundlage dienen können die unbeabsichtigte Umweltschwankungen Parameterwerte normalisiert. Zusätzlich werden kann, kann der bestrahlten Fläche schwierig sein abzuschätzen (wenn Hautlappen Zubereitungen, die nicht konsistent waren) vor Schäden visuell um den Tag zu manifestieren beginnt 5 (40 Gy). wenn schwarz Permanentmarker zur Verwendung von die Grenzen der Strahlung ausgesetzten Haut Punkt, vermeiden übermäßige Tintennutzwirkungsgrad Verschmieren der Tinte zu verhindern, die Messwerte beeinträchtigen können.

Ein weiteres Merkmal des Systems ist die Fähigkeit, die Absorption von Streueigenschaften zu trennen. Während alternative hyperspektrale Systeme bieten auch die Möglichkeit, Oxy-Hb und Hb-Konzentration, die Freiraum-Geometrie von hyperspektrale Bild i zu überwachen s nicht in der Lage Streuung Änderungen zu lösen. Diese Beschränkung kann in Ungenauigkeiten in der zurück Oxy - Hb, Hb und StO 2 Parameter führen , wenn wesentliche Änderungen in Streuung aufgrund von Erythem (Rötung) auftreten. Ferner können zusätzliche optische Biomarker für Erythem Auswertung liefern DOS Überwachung von Streu Änderungen verwenden. Wie in 6 gezeigt, et die ersten Ergebnisse von Yohan al. (2014) zeigen , dass A und k einen zeitlichen Trend nach ionisierender Strahlung zeigen , die mit den Trends korrelieren nicht von anderen alternativen Methoden wie visuelle Scoring - Systeme beobachtet. Dies zeigt, daß Veränderungen manifestieren Streuung nicht in einer visuell beschreibenden Art und Weise und in der Tat kann ein separates biologischen Prozess werden beschrieben werden. Daher kann im Vergleich zu alternativen Methoden bietet DOS eine hohe Auflösung für oberflächliche Streuung ändert, einen Weg für neuartige Hautschäden Biomarker untersucht, die von den üblichen Hb-basierten Messungen getrennt sein.

jove_content "> Obwohl unser Modell verwendet eine große Einzelstrahlendosis (anstatt mehrere kleine fraktionierten Dosen, die im klinischen Umfeld eingesetzt werden), diese ahmt die Pathophysiologie der akuten menschlichen Haut Radiotoxität 21. Es ist vorgesehen , dass mit der weiteren Optimierung, DOS bereitstellen einen quantitativen Ansatz für die automatisierte und standardisierte Scoring von strahleninduzierten Hautreaktionen kommen . nach dieser Technik zu meistern, können zukünftige Anwendungen umfassen die Überwachung Unterschiede zwischen Haut schonen Therapeutika (zB Oxy - Hb Ebenen zwischen einer Kontroll- und experimentellen Behandlung für Haut Radioprotektion zu vergleichen, oder zur Wund Förderung Heilung ). Während sich ideal für Hochdurchsatz-Wirkstoffscreening in Tiermodellen ist das DOS-System potenziell anpassungsfähig an die klinische Umgebung aufgrund der leichten Bedienbarkeit und die Möglichkeit, bei normalen Lichtverhältnissen zu messen. in diesem Fall kann die Sonde Design geringfügige Änderungen erfordern mit etwas größeren Optodenschichten Trennungen zu berücksichtigenDie erhöhte Dicke der menschlichen Haut. Eine klinische DOS-System würde für die Online-Auswertung von interventionellen Therapien ermöglichen, die schmerzhafte Hautreaktionen zu minimieren und eine Patientenkomfort und Compliance zu verbessern. In Zukunft könnte es interessant sein , DOS-basierte Quantifizierung der Merkmale der chronischen Strahlung induzierten Hautschäden zu erweitern (zB 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

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References

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Diffuse Optische Spektroskopie zur quantitativen Beurteilung Akute ionisierender Strahlung induzierte Hauttoxizität Mit einem Maus-Modell
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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).

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