Login processing...

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

Medicine

מפוזר ספקטרוסקופיה אופטית עבור הערכה כמותית של רעילות העור לקרינה מייננת מושרה חריפה שימוש במודל של עכברים

doi: 10.3791/53573 Published: May 27, 2016

Introduction

שיפורים טכנולוגיים הקרנות (RT) תכנון ואספקת חברה לאפשר מינונים טיפוליים קונפורמי מאוד להיות מועברים לאזור הגידול, תוך חוסך מבנים סובבים נורמלים בו זמנית. עם זאת, חריף ולעתים רעילים חמור הם בלתי נמנעים כאשר היעד במינון הגבוה הוא בסמיכות העור. אם חמור מספיק, הרקמה נזק רגיל וכתוצאה מכך יכול להשפיע על תוצאות הטיפול RT שלילי ואיכות חיי המטופל 1,2.

למרות התוצאות המזיקות, ניהול הנוכחי של אריתמה העור לקרינה נשאר ספציפי, העסקת קרמים או משחות המתעלמים המנגנונים הביולוגיים העומדים בבסיס הביאו לנזק. גישות אלה מבוססות על מזעור בסימפטומים ולא גורם. יתר על כן, התזמון והמנהל של טיפולים התערבותיים מסתבכים בשל האופי האיכותי וסובייקטיבי של הערכה פגיעה בעור קרינה. בעוד כמה מוכרארגונים (RTOG, EORTC) לספק המלצות לדירוג חזותי, מוסדות להשתנות בבחירתם של מניה מועדפת, וטשטוש השוואות של רעילות הרקמות הבריאות לענין-אנליזות. יתר על כן, מערכות לדירוג כאלה גולמיים ונוטים השתנות בין צופה, כך הבדלי חומרת פציעת קרינה עשויים להיות סמויים במחקרים להערכת אסטרטגיות להפחתת רעילות.

במקום ויזואלית המתארת ​​את מידת אריתמה בעור מוקרן, גישה חלופית היא למדוד פרמטרים כמותית לתאר את השינויים הפיזיולוגיים הבסיסיים המתרחשים האיבר. המוגלובין בדם (Hb), רווית חמצן לרקמות (STO 2) או המוגלובין מחומצן (oxyHb) רמות שמש פרוקסי עבור אריתמה-induced הקרנה בעכברי 3-6. בעקבות הקרנה, רמות המוגלובין הכוללות לעבור תנודות, אבל oxyHb או STO 2 עובר עלייה חדה בתחילת מאפיין, ואחריוליפול עוד 3,6 עלייה מתמשכת. כאשר מגרה משמשים כדי לגרום אודם בעור, רמות oxyHb וסקולרית לתאם ישירות עם חומרת האדמומיות והגירוי המקומית והדלקת 7.

מפוזר ספקטרוסקופיה אופטית (DOS) מעסיקה האור האינפרה-אדום הקרוב על מנת לספק מידע פונקציונלי על רכיבים ביוכימיים microstructural של רכיבים ורקמות חיוניים. טכנולוגיה אופטית כמוני, לא פולשנית זה מציעה שיטה למדידת ההתרחבות נגרמת ציטוקינים בכלי דם המתרחשות במהלך אריתמה באמצעות פונדקאיות תפקודיות של ריכוז המוגלובין ו STO 2. מחקרים שנעשו לאחרונה השוואת הפרמטרים שנמדדו DOS עם שיטות הניקוד קליניים מבוקרים 8-11 מצביעים על פוטנציאל של הטכניקה להתגבר על מגבלות מובנות לדירוג הנוכחי מערכות.

כאן אנו מתארים ללא צורך במיקור חוץ, ניידת, מערכת DOS מעסיקה פונדקאית פונקציונליים כמותית Detecting הבדלים רעיל עור נגרם קרינה במודל של עכברים פרה-קליני 5. הפלטפורמה המתוארת יכולה לספק אמצעי ניקוד אריתמה סטנדרטי עם רגישות גבוהה לגילוי מוקדם והבחנה עדינה של תגובה לתרופה התערבותית. יתר על כן, עם עיבודים קלים בלבד, המכשור עשוי בסופו של דבר להיות מועסק קליני לניטור מיטה בזמן אמת.

Protocol

להלן השיטות בהתאם להנחיות ועדת האתיקה טיפול בבעלי חיים למחקר Sunnybrook המכון.

1. מערכת ספקטרוסקופיה ההחזרה המפוזרת

  1. אסוף ספקטרום החזרה מפוזר באמצעות בדיקת כף יד, סיבים אופטיים ומערכת רכישת ספקטרוסקופיות ניידת תוארה בעבר (קים et al. 2010) ו ייסקר בקצרה באיור 1 (וכותרות נלוות) עבור 1,2 השלמות.

2. הכנת עכבר דגם של נזק לעור קרינה חריפה

  1. עכברים בן 6 שבועות להזמין (רצוי ללא שיער, כגון athymic או SKH-1) ולאפשר להם להסתגל במתקן חיה במשך שבוע לפני תחילת הניסויים. שמור לפחות 3 עכברים עבור קבוצת שליטה הלא מוקרן ו -5 עכברים לקבוצת מוקרן.
  2. לפני מדידות בסיס DOS הקרנה, לתייג העכברים באמצעות אגרופי אוזן או מ בטוש בלתי מחיקarkings על הזנב. אם העכברים אינם בעירום, להסיר את השיער על 2 ס"מ על 2 ס"מ תיקון של העור האגף, אבל זה עלול לגרום לגירוי העור.

3. קליטת נתונים ספקטרוסקופיה אופטית מפוזרת

  1. הפעל את אספקת החשמל והאלקטרוניקה.
  2. לעור עכבר, להגדיר את פרמטרי אות תוכנת הרכישה על ידי הקלדת 25 msec בפעם אוספת, 25 לממוצעי אות ו -1 רוחב מסנן קרון. פרמטרים אלה מציעים איזון סביר בין זמן רכישת אות לרעש.
  3. באמצעות תוכנת רכישה מתוכנתת מותאם אישית, לרכוש קריאת הרקע אוטומטי, R bg (כבוי) החזרה מפוזרת בשני מרחקי הפרדת המקור-גלאי, MEAs R (260 מיקרומטר, 520 מיקרומטר) על ידי לחיצה על כפתור "לרכוש". שעת הרכישה הכוללת היא ~ 2 שניות.
  4. כבו כל האורות בחדר ניאון על ידי לחיצה על מתג האור בחדר לפני ביצוע מדידות.
    הערה: Fluorescאור אוזן גרון החדר להפריע לאות זוהה (אורות אלה לייצר עוצמת אור משתנה בזמן וכך קשה לחסר כאיתות רקע). למרות נורה ליבון יכול להיות מועסק להשאיר את האורות במרחק מן חללית DOS כדי למנוע רמות רקע גבוהות (אות עניה לרעש).

4. הרדמה וטיפול בבעלי חיים מדידות Baseline DOS

  1. הכן את מכונת ההרדמה על ידי הבטחה כי כל החיבורים הם שלמה ונוזל רמת isoflurane היא נאותה. השתמש בתא אינדוקצית הרדמה עם צינורית מחוברת ואת החרטום שיכול להיות מודבקת למטה משטח מרופד מעוקר, ברכות בהישג היד נוחה של חללית DOS.
  2. לטשטש כלוב אחד עכברים בכל פעם בחדר האינדוקציה ידי גרימה עם isoflurane 4% למשך 30 שניות. מנמיך את כמות isoflurane עד 2% עבור 2 הדקות הבאות. ודא כי העכבר הוא מורדם על ידי התבוננות ללא תגובה צובט הבוהן של הגפיים האחוריות.
  3. בִּמְהִירוּתלהזיז את העכבר אחד על אזור חיטוט DOS המעוקר, ומניח אותו על צידו, להדק חוטמו לתוך החרטום ולפתוח את צינורות חרטומו לזרימת ההרדמה (2% isoflurane).
    הערה: אם ההליך לוקח יותר 1 - 2 דקות, להחיל משחת וטרינר על העיניים כדי למנוע יובש.
  4. לפני רכישת מדידות עור עכבר, לעקר את החללית על ידי מנגב עם 70% אתנול. אין לעקר את העור.
  5. מניח את החללית בעדינות על עור האגף והקפד להימנע פיזור כלי הדם המקומי. החזק את החללית על ידי יד למשך המדידה.
  6. רוכשת את הנתונים ההחזרה על ידי חיטוט אזור העור אגפו של כ -2 ס"מ על 2 ס"מ (האזור להיות מוקרן) על ידי ביצוע היווצרות 5 נקודה על פיסת סיליקון. שמור את זה דפוס, אזור חיטוט, לחץ בדיקה בצד גוף (ימין או שמאל) עקבי בכל המידות הבאות.
    הערה: הסריקה המלאה לוקחת בערך 60 שניות. לחץ Probe צריך להיות מספיק כדי להשיג סריקה ללא פיזור lכלי דם ocal.
  7. הזיזו את העכבר לכלוב ההתאוששות, להזיז את העכבר הסמוך לאזור חיטוט DOS. חזור על שלבים 4.2 - 4.6 עד שכל העכברים נמדדו. אל תשאירו חיה ללא השגחה עד שהוא שב להכרתו מספיק כדי לשמור שכיבה sternal.

5. קרינה בעלי חיים

הערה: פרוטוקול זה מחייב שימוש של irradiator, והכנת חיה ייתכן שיהיה צורך מותאם כדי לענות על הצרכים של המכשיר irradiator. במהלך הקרנה, רק באזור הקטן של עור אגף צריך להיחשף אלומת הקרינה. Irradiator צריך להיות ממוקם במתקן סטרילי ועיקור כלוב מתאים יש לשים לב בעת החזרת עכברים לאזור דיור הסטריליים.

  1. הכן את מכונת הרדמה (כמו צעדים 4.1 - 4.2) ו לטשטש עכבר אחד בכל פעם בחדר אינדוקציה לפני להכינו עבור הקרנה.
  2. הסר את העכבר מאולם האינדוקציה, gently לצבוט את קלטת עור ומקום אגף מעל ומתחת לעור המתוח, ויצר דש.
  3. מניח את העכבר על במה פרספקס לכסות את הגוף עם לנענע מנהג עופרת (עיצוב עבודה הוא קופסא מלבנית עם התחתית ולפחות קצה אחד פתוח, יחד עם חלון צדדי כדי לאפשר לעור ירך אל לסחוב אותן לאורך). משוך את דש העור מבעד לחלון לנענע בעדינות קלטת דש לבמה.
    הערה: לנענע מנהג ההובלה הוא קטן מספיק כדי לשתק את העכבר. אם לנענע מנהג לא לשתק את העכבר לגמרי, ולאחר מכן להשתמש restrainers נוספים ו / או לנהל קטמין (80 - 100 מ"ג / ק"ג) ו xylazine (10 - 12.5 מ"ג / ק"ג) באמצעות הזרקה intraperitoneal לשמור את העכבר משותקת בכל הקרנה כולו תהליך.
  4. מניחים את הבמה פרספקס עם הג'יג ועכבר לתוך irradiator. קביעת הגדרות (מרחק העור ממקור רנטגן, מתח, משך amperage) ולספק את המינון הרצוי (למשל, 11 ס"מ מתוך X- 160 KVPray המקור 2.5 דקות עם 6.3 מילי-אמפר).
    הערה: השתמש זהירות עם מקור רנטגן על ידי ביצוע הנחיות השימוש במכונה כדי למנוע כוויות ונזק DNA.
    הערה: עכברים בעירום athymic לפתח קלוף לחות סביב 14 ימים הודעה הקרנה בתגובה ל -35 Gy, אך רק קלוף בלתי סדיר קטין עם 17 Gy.
  5. קח את המנגנון ועכבר מתוך irradiator, להסיר את המיגון, להסיר את הסרט ולמקם אותו לתוך כלוב להחלמה. החזר את העכבר לכלוב המשותף הרגיל שלו אחרי שהוא התאושש מן ההרדמה. חזור על שלבי 5.2 - 5.4 כל העכברים, ולבצע פעולת דמה על עכברים שליטים.
  6. לאחר ההקרנה, לשכן את החיות בתנאים הרגילים שלהם. אם התנהגות חריגה מפתחת (למשל, יציבה כפופה, אשר עשוי להוות כאב), להתייעץ עם וטרינר כדי לאבחן את הבעיה. הקלה כאב עשוי לכלול ניהול 0.1 מ"ג / ק"ג עצירות תת עורי או כפי שיורה הווטרינר. אם ירידה במשקל העולה על 20% ב רגילody המונית, הבית אותו בנפרד בכלוב משלה ולספק מזון גבוה מזין.

מעקב 6. מדידות DOS

  1. לפקח מודד את עוצמת תגובת עור באמצעות טכניקת DOS כמותית. בדיקה ויזואלית של שינויים בעור ו קודמת עבודה מראה כי שינויים גדולים בפרמטרי DOS ניתן לצפות (ביחס למצב בתחילת מחקר) סביב 6 - 12 ימים לאחר הקרנת 3,4. עם זאת, מאז שינויים ניכרים עשויים להתרחש גם מוקדם או מאוחר בהתאם לדגם, מועדים לפי שעון מדידה אחרות עשוי להיות שימושי כדי לחקור.
  2. הגדרת ציוד וכיולים DOS כמתואר בסעיף 3.Prepare מכונת הרדמה ולרכוש מדידות DOS כמפורט בסעיף 4.

7. לאחר רכישת עיבוד

הערה: כל השלבים בסעיף הבא מבוצעים באמצעות תכנית אישית נוצרת בסביבת תוכנת ביצועים גבוהים. מנזר שמות סטנדרטייונים עבור כל קובץ רכישת ספקטרלי מועסקים כדי לאפשר עיבוד אצווה. כל הצעדים הם באיור 2.

  1. הפחת את הבסיס (רצפת רעש) מכל הספקטרום הנמדד לרבות עיון ברקע.
  2. הפחת את הקריאה ברקע, bg R (כבוי), שהושגה בשלב 3.3 מספקטרום המדידה, MEAs R.
    הערה: במשך השארית של מאמר זה כל הספקטרום הם הניחו להיות רצפת רעש רקע לחסר את מכונת R הקור.
  3. המרת R קור כדי החזרה מוחלטת, שרירי בטן R, כמתואר אזכור 1,2 בסעיף 1.
    1. להשיג מדידות ההחזרה יחסית, Rrel, ב Intralipid-20 פנטומים% (Kabi Fresenius, שבדיה) פנטומים עם הגדלת שברים aliquot 3% עד 48% (כלומר, 3%, 6%, 9%, ..., 48%) ו ליצור של חלקת Rrel לעומת ריכוז Intralipid.
    2. צור עלילה מוחלטת של שרירי בטן R לעומת &# 956; s 'באמצעות המשוואה דיפוזיה עבור החזרה 14.
    3. התאם את השיא של שני עקומות ולהתאים את ציר x Rrel כדי להתאים את ציר x ABS R.
    4. בשעה הפרדה גל נתון מקור-גלאי, קנה המידה של ציר ה- Y באמצעות:
      איור 1
      הערה: בסעיף הבא, כל ההולם של מדידות יתייחס ABS R.

התאמת 8. נתונים ספקטרליים

הערה: הסעיף הבא מתאר את תאורית האלגוריתם הולם מנוצלת להפקת פרמטרים תפקודיים של עור בעכברים. לכל התאוריה המועסקת, עיין במאמרים הבאים 14-18 והפניות בו. כל המשוואות הם הניחו להיות מתוכנים בסביבת תוכנה מדעית מתקדמת (המכילה מודולים מתוכנתים מראש) נפוצה במעבדות פיסיקה או הנדסה.

  1. לתכנת פונקציה המתארת ​​אספקטרום bsorption, מיקרון A (λ) של העור כסכום של chromophores הפרט הרלוונטי בטווח ספקטרלי של עניין באמצעות המשוואה:
    איור 1
    כאן, ב H הוא ריכוז המוגלובין הכולל (g / L), בעוד STO 2 הוא רוויון חמצן unitless הנע בין 0 ל -1.
  2. השג אצטילן, איור 1 , ו deoxy, איור 1 ספקטרה, המוגלובין (מאוחסנים קבצי טקסט) מאוסף on-line של Prahl 19.
  3. לתכנת פונקציה המתארת ​​את ספקטרום פיזור של העור, איור 1 , באמצעות התלות חוק כוח, כאשר A (-1 ס"מ) הוא הערך של μ s λ o = 1 ננומטר ו- k הוא מקדם ההספק תלוי בינוני16.
  4. תכנית פונקציה מתמטית עבור המודל קדימה של החזרה מפוזרת המבוסס על משוואות בהפניה 14 המשלבות את משוואות רפאים מן השלבים 8.2 - 8.3 לתוך פונקצית המודל קדימה (כלומר, R (r, מיקרון A (λ), מיקרון s '(λ )) = R (r, b H, STO 2, A, K).
    הערה: בעוד מודלים שונים להתקיים, תורת דיפוזיה המשוואה היציבה מספקת תיאור פשוט ומדויק של הפצת האור ברקמות.
  5. תכנית פונקצית ריבועי ההבדל בין ספקטרום החזרת דגם קדימה מסעיף 8.4 ואת ספקטרום ההחזרה הנמדד.
  6. איטרטיבי לשנות ב H, 2 STO, A, ו- k עד פונקצית ריבועי ההבדל לפחות בסעיף 8.5 הוא קטן ביותר. ניתן להשתמש lsqcurvefit של MatLab לבצע את זה צעד אוטומטי.
  7. Repeat צעדים 8.5 - 8.6 עד לקבל פרמטרים DOS H, 2 STO, A, ו- k) עבור כל ערכות נתונים ההחזרה נמדד.
  8. מגרש את השינוי היחסי בפרמטר DOS עם מדידת הבסיס הייחודית המתאים באמצעות הממוצע של כל קבוצת עכבר של של 3 - 5 מדידות במקום בדיקה מנורמלות. מגרשים אלו נוצרים באמצעות פקודת העלילה של Matlab.

9. דרמטיטיס קרינה חזותיים תקופת ניקוד

  1. צג וציון עוצמת תגובת עור באמצעות סולם לדירוג איכותי (ראה סולם לדירוג דאגלס פאולר 20) לאחר הקרנה בכל 48 שעות (אפשר גם לצפות לשינויים 3 - 24 שעות ההקרנה הבאה). שני חוקרים סמויים הם אידיאליים. רכישת תמונות עם סולם התייחסות מצלמה ומצלמת יד (כלומר, שליט) עשויה לעזור עם ערכות.
  2. הערה: ניקוד העור כל ימים לאחר ההקרנה עשויה לעזור לקבוע פי מדידת DOS אופטימלית FOr המודל. עוד מניה תכופה עשויה להניב נתונים חשובים תלוי בשאלת המודל ומחקר.
  3. מגרש את החציון של כל קבוצה בכל נקודת זמן. השוואה בין קבוצות בנקודות זמן מסוימות או בתחומים הכוללים החציונית תחת כל עקומה.
  4. לאחר עכברי הקפדה עד לנקודה של ריפוי עור כי הוא רצוי (למשל, 4 שבועות), להרדים את העכברים על ידי מתודה ראויה (מאושרת).

Representative Results

טכניקת החזרת DOS מספקת אלטרנטיבת מטרה לשיטות איכותיות מסורתיות של הערכת רעילות עור נגרם קרינה. שינויים חזותיים במראה עור בעקבות רעילים במינונים של קרינה נוכחת שינויים הוא את הגודל והצורה של ספקטרום ההחזרה נמדד. שניהם קשורים לשינויים פונקציונליים מייקרו הסלולר הבסיסי ומדינת רקמות פיזיולוגית. בסעיף זה, תוצאות נציג מהעבודה שפורסמו בעבר על ידי יוהן et al. 2014 5 נסקרים.

איור 3 (משמאל) להראות ספקטרום נציג (קווים כחולים דקים) נמדד לפי א-הפרדה במקור 260 מיקרומטר מודל עכבר athymic של אריתמה עור 6 ימים לאחר 40 הקרנת Gy. לעומת רווח לפני הקרנה (איור 3, פאנל מימין), ההבדלים בצורת ספקטרלי ב ~ 550-650 ננומטר הם נצפו, ליק איליי בשל עליית המוגלובין מחומצן. עלייה קטנה החזרה מוחלטת גם הוא ראה כי הוא מתואם לעליית כוח פיזור רקמות. ספקטרה הנצפית על קרינת 6 למחרת מתואמת ציון עור חזותי של 0.75.

הערכת שינויי החזרה הקרנה פוסט באורכי גל בחר לא לעשות שימוש ספקטרום החזרה המלא וגם נושאה את נושא הפוטנציאל של רגישות לרעש. עם זאת, ראוי הספקטרום המלא מאפשר הנתונים כולו להגדיר את הסבתו ביומרקרים אופטי אינטואיטיבי H, STO 2). איור 3 להראות התקפים שיעוררו (הקו ירוק מוצק) של הנתונים שנמדדו (הקו רועש דק) באמצעות המשוואות הציגו בסעיף 4. הסכם מצוין הוא ציין, המאשר כי הבחירה של chromophores בסיס וצורת פיזור לתאר את מודל עור עכבר כראוי.

FO:. לשמור-together.within-page = "1"> בשל האופי הלא-פולשני כיול עצמי של מערכת DOS, בצעו מעל ניתן ימים המרובים מדידות נוחות בתנאי תאורה שונה איור 4 מציג את השינויים יחסיים עור STO 2 עבור זמן בנקודות שונות (6, 9, 12 ימים) במהלך מחזור עכבר מוקרן (n = 8) בעוד איור 5 מראה את תוצאות תגובת עור איכותיות המתאימות. עלייה הדרגתית STO 2 הוא ציין כי מבחינה סטטיסטית שונה בהשוואה לערכים מראש הקרנה על כל 3 ימים (p <0.05). מגמות אלו משקפות את העליות לראות בצורה ויזואלית בחומרתו עור ניזק שיא כי ביום 12 (ציון ממוצע של ~ 3) להדגים את הפוטנציאל של STO 2 כתחליף בקיע חזותי (איור 5).

יצוין כי לא חל שינוי משמעותי סטטיסטי נראה על מי מבין סמנים אופטיים חזרו עלבקבוצת ביקורת הלא מוקרן (n = 3) מעל 12 הימים נמדדים (מידע לא מוצג). שינויי A ו- K ניתן לנטר גם לאורך הזמן (איור 6), ואלה מצביעים על כך תכונות הפיזור של העור משתנות בתגובת הקרינה.

איור 1
איור 1. מכשור DOS. (א) סכמטי של גיאומטרית מדידת החזרה המפוזרת (ב) בדיקת סיבים אופטיים:. החללית האופטית מורכבת מערך ליניארי של 200 מיקרומטר סיבים אופטיים ליבה שמקובצים לתוך מחט מתכת 18 G ו במרווחי 260 מיקרומטר לגזרים. שני סיבים המקור מצמידים את שתי דיודות פולטות אור בפס רחב תוך סיב זיהוי מחובר ספקטרומטר אופטי. על ידי ברצף הדלקה אחד מהמקורות, ספקטרומטר יכול לאסוף החזרה מפוזרת במרחקים של 260 מיקרומטר520 מיקרומטר מכל אחד סיבי המקור (C) מערכת DOS השלמה כולל מחשב נייד, בדיקת סיבים אופטיים מצורפת אופטי תיבה:. תכנית רכישת נתונים אוטומטית משמשת לנהוג האוסף הרציף של ספקטרום. האלקטרוניקה שוכנת תיבת רכישת מתחבר חללית הסיבים אופטיים באמצעות מחברי SMA. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
.. איור 2 עיבוד ספקטרלי כל קשקשי ציר x נמצאים ננומטר: (א) ספקטרה יחסית גלם, הבסיס הוא בין 900 לקרוא כ - 1,000 ננומטר שווה בערך אות הרקע (B) קריאת רקע יחסית (C.. רקע בסיס) מופחת של יחסים pectra. (ד) ספקטרום מכויל בהחלט הבא קנה מידה של ספקטרה מעובד שמוצג (C). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3. ספקטרה החזרת אור לבן אופייניים שאינם מוקרן (משמאל) מוקרן (מימין) ימי עכבר עור 6 לפרסם הקרנה. הסכם מצוין בין מדידה (רועש כחול) והתקפי (ירוק מוצק) נצפו בדרך כלל. שני הבדלים עיקריים נראו בין שתי קבוצות: 1) עלייה כללית החזרה מוחלטת 2) שינוי משמעותי בכושר רפאים בין 550 - 600 ננומטר. באישור Yohan et al. 2014 5.> אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. שינוי שבר החמצון של עור העכבר הבא 40 Gy הקרנה. ההבדל הרע מנורמל הבסיס בין שתי הקבוצות (לכל עכבר) הוא משמעותי עבור ימים 6 (תיבת 1), 9 (תיבה 2) ו -12 (תיבה 3 ). באישור Yohan et al. 2014 5. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5. ציוני תגובות עוריות איכותיות ממוצעים (n = 8) כפונקציה של ימים לאחר 40 Gy מוקרן עור בעכברים. מעובד מתוך Yohan et al. 2014 5. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. שינויים יחסית ב A ו- K של עור העכבר הבא 40 Gy הקרנה על ימי 6 (תיבת 1), 9 (תיבת 2) ו -12 (תיבה 3). שינוי A (בצד שמאל) ו- k (צד ימין) 6 ביום (תיבה 1, משמאל ומימין) נמצא (p <0.026) משמעותי. באישור Yohan et al. 2014 5. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

גישת DOS להערכת כמותית רעילה בעור קרינה באמצעות סמנים ביולוגיים אופטיים הוצגה. ניקוד מערכות עור רעיל חזותיות דורשות הכשרה מומחית וגם אז נוטות השתנות וסובייקטיביות-משקיף יתר. ניתוח מערכת DOS התוכנה היא פשוטה לשימוש, דורשת הכשרה מינימאלית ומחזירה פרמטרים פונקציונליים מטרה לפירוש שינויים פיסיולוגיים בעור. יתר על כן, במקום לתאר את המראה של נגע בעור כפרמטר יחיד, DOS מספק שפע של מידע בכושר רפאים, תכונות אופטיות ופרמטרים פונקציונליים / microstructural המציעים תואר נוסף של רגישות וסגולית לא זמין שיטות ניקוד איכותיות נוכחיות. סעיפי 1 ו -7 להדגיש את צעדי העיבוד העיקריים קבלת נתונים ספקטרליים מוחלטים שיכול להיות מנוצל עבור הולם כמותי של סמנים ביולוגיים אופטיים. רקע וחיסור בסיס חיוני כדי לאפשר למשתמש לבצעמדידות DOS בתנאי תאורה רגילה. סעיף 8 מספק מודלים והמשוואות הנדרשים כדי לתאר עכברי athymic לפני ואחרי הקרנת רנטגן. כאן, הבחירה של בולמים מתאימים חיונית תיאור מדויק של הספקטרום הנמדד. מומלץ שהמשתמש באופן מדוקדק בספרות בולמי מפתח השולטים בטווח אורכי גל ורקמות של הריבית ששימשו במחקר ניתנה לפני בניית מודל ראוי סמן ביולוגי אופטי. לבסוף, סעיפים 3-5 מתארים את הטיפול בעכברים athymic במהלך הרכישה DOS. כדי למנוע שיבוש במערכת כלי הדם המקומי, להשתמש בכוח עדין למקם את חללית DOS על פני עור עכבר.

בעוד זול יחסית בהשוואה למערכות מצלמה היפר-ספקטרלית 3,4, מגבלה ברורה של גישת DOS תאר הוא השימוש בדיקת נקודה למדידת החזר מפוזר. צרכי גיאומטרית החזרה זה מגע עדין עם העוריש הפוטנציאל להציג אי ודאות מדידה על ידי פיזור כלי הדם אם לחץ בדיקה-עור עקבי אינו עובד בו. עיצובים בעתיד של חללית DOS עשויים לשלב חיישן לחץ לשמור תוצאות עקביות. יתר על כן, בעוד ששימוש הפרדת המקור-גלאי קרוב (<2-3 מ"מ) מאפשר לעומקים אופטיים חיטוט ספציפי אל פני העור, את הספציפיות המשופרות מגיעות במחירי פסד של רזולוציה מרחבית לעומת הדמית היפרספקטראלית 2D. כדי למזער מגבלה זו, סריקה ברבע 5 נקודות הלוכדת את הנפח המוקרן הכולל הועסק. למרות חוסר ברזולוציה מרחבית, עבודה קודמת בעכברים 5 הראתה את היכולת של סמנים ביולוגיים אופטי בממוצע לכל אזור דליל להבדיל לא רק עור מוקרן ולא מוקרן אלא גם את ההשפעה של העור חוסך תרופות התערבותית כגון Vasculotide 6.

יצוין כי בעוד עיצוב המערכת כולל יכול להיות שונה עבור עור שונה מודלים, ספקטרה בסיס מתחת ופזרתי וצורה עשויות צריכות להיות מותאמות. באופן ספציפי, בעוד oxy- ו deoxy-Hb גם לתאר מודל העכבר athymic, היישום של אותו המודל עור כהה עשוי לדרוש תוספת של מלנין עבור הולם אופטימלי. בנוסף, הארכת DOS רוחב פס כדי באורכי גל גבוהים> 950 ננומטר יחייבו התוספת של מים, אשר חולשת באורכי גל גבוהים יותר. יתר על כן, מודלים של בעלי חיים עם עובי עור שונה עשויים לדרוש הפרדת מקור-גלאים שונה כדי לייעל רגישות עומק. לבסוף, התכונה והקירחת עושה אלגוריתמים פשוטים יותר. למרות דגמים שאינם חסרי שיער יכול להיות אופטימלי עבור שאלות מחקר מסוימות, הם ידרשו הסרת שיער לפני מדידות DOS, וכן גירוי העור מפני תהליך זה עשוי להשפיע על התוצאות. למחקר שבו תפקוד מערכת החיסון הכולל הוא חיוני, עכבר ללא שיער עם מערכת חיסון תקינה (למשל, SKH-1) עשוי לשמש מודל טוב יותר בשל אופי euthymic שלה.

אף אוזן גרון "> שיקולים חשובים עבור מדידות בדיקת DOS הם RT ואמיד עקביים של האזור המוקרן. תנודות טמפרטורה עשויות להשפיע רקמות Hb ו STO 2 רמות. מדידת קבוצה של 3 חיות הלא מוקרנים בכל זמן איסוף נתונים עשויה לשמש מחקר ל עליות וירידות סביבתיות מכוונות בערכי פרמטר יכולות להיות מנורמלות. בנוסף, באזור המוקרן עלול להיות קשה להעריך (אם הכנות דשים עור היו לא עקביות) לפני הניזק מתחיל להתגלות חזותי סביב היום 5 (40 Gy). אם אתה משתמש בטוש בלתי מחיק שחור מנקדים את הגבולות של העור לקרינה חשוף, להימנע משימוש בדיו מופרז כדי למנוע מריחות דיו, אשר יכול לסכן את קריאות.

תכונה נוספת של המערכת היא היכולת להפריד קליטה מנכסת פיזור. בעוד מערכות הדמיה היפרספקטראלית אלטרנטיבה גם לספק את היכולת לפקח oxyHb וריכוז Hb, הגיאומטריה-שטח פנוי של i הדמיה היפרספקטראלית זה לא מצליח לפתור שינויי פיזור. מגבלה זו עלולה לגרום אי דיוקים שהם מהותיים חזר oxyHb, Hb ו STO 2 פרמטרים אם שינויים משמעותיים פיזור להתרחש עקב אריתמה (אדמומיות). יתר על כן, ניטור של שינויי פיזור באמצעות DOS עשוי לספק סמנים ביולוגיים אופטיים נוספים להערכת אריתמה. כפי שניתן לראות בתרשים 6, התוצאות הראשוניות מן Yohan et al. (2014) עולות כי A ו- K מדגים מגמה זמנית הבא קרינה מייננת כי אינו תואמת עם מגמות שנצפו מ ושיטות אלטרנטיביות אחרות כגון ניקוד מערכות ראייה. זה מצביע על כך שינויי פיזור לא להתבטא בצורה ויזואלית תיאורים עשויים למעשה להיות מתאר תהליך ביולוגי נפרד. לכן, בהשוואה לשיטות חלופיות, DOS מספק רזולוציה גבוהה לשינויי פיזור שטחיים, שדרו לחקירת ביומרקרים ניזק לעור רומן שעשויה להיות נפרד מן המדידות Hb המבוססות כרגיל.

jove_content "> למרות המודל שלנו מעסיק קרינה במינון יחיד גדול (ולא מינונים מופרדים קטנים מרובים המשמש במסגרת הקלינית), מחק זה בפתופיזיולוגיה של radiotoxicity עור אנושי החריף 21. הוא צפה כי עם אופטימיזציה נוספת, DOS עשויה לספק גישה כמותית עבור ניקוד אוטומטי וסטנדרטי של תגובות עוריות מושרות קרינה. כאשר ישלטו בטכניקה זו, יישומים עתידיים עשויות לכלול ניטור הבדלים בין רפוי חוסכים עור (למשל, השוואת רמות oxyHb בין מלא טיפול ניסיוני radioprotection עור, או לקידום ריפוי פצע .) בעוד אידיאלי עבור הקרנת סמי תפוקה גבוהה במודלים של בעלי חיים, מערכת DOS ניתנת להתאמה פוטנציאלית לסביבה הקלינית בשל קלות שימושית ואת היכולת למדוד בתנאי תאורה רגילים. במקרה זה, עיצוב הבדיקה עשוי לדרוש שינויים קלים עם פרדות optode מעט גדולות לתת דין וחשבון עלהעובי המוגבר של עור אנושי. מערכת DOS קלינית תאפשר הערכת on-line של טיפולים התערבותיים שיכולים למזער תגובות עוריות כואבות ולשפר נוחות שימוש בתרופה. בעתיד, זה יכול להיות מעניין להרחיב כימות DOS מבוסס על התכונות של נזק לעור המושרה קרינה כרוני (למשל, סיסטיק).

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).
מפוזר ספקטרוסקופיה אופטית עבור הערכה כמותית של רעילות העור לקרינה מייננת מושרה חריפה שימוש במודל של עכברים
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