Login processing...

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

Medicine

Diffuse optisk spektroskopi for kvantitativ vurdering av akutt Ioniserende stråling Induced Skin Toxicity bruke en mus modell

doi: 10.3791/53573 Published: May 27, 2016

Introduction

Teknologiske forbedringer i strålebehandling (RT) planlegging og levering åpner for svært konforme terapeutiske doser som skal leveres til svulsten regionen, samtidig skåner normale omkringliggende strukturer. Likevel, akutte og noen ganger alvorlig toksisitet er uunngåelig når den høye dosen målet er i umiddelbar nærhet til huden. Ved alvorlig nok, kan den resulterende normal vevsskade negativt påvirke RT behandlingsresultatet og pasientens livskvalitet 1,2.

Til tross for de uheldige konsekvenser, nåværende ledelsen av stråling huderytem fortsatt uspesifikke, ansette kremer eller salver som ignorerer de underliggende biologiske mekanismene som fører til skade. Disse fremgangsmåtene er basert på å minimal symptomer snarere enn årsaken. Videre er timingen og administrering av intervensjonene terapier komplisert ved den kvalitative og subjektive natur av stråling hud skade vurdering. Mens flere anerorganisasjoner (RTOG, EORTC) gir visuelle sorterings anbefalinger, institusjoner varierer i sine valg av foretrukne score, og dermed skjuler sammenligninger av normalt vev toksisitet med henblikk på meta-analyser. Videre slike klassifiseringssystemer er råolje og utsatt for inter-observatør variasjon, slik at forskjeller i strålingsskadegrads kan være umerkelig i studier som evaluerte toksisitet reduserende strategier.

I stedet for å visuelt å beskrive graden av erytem i bestrålt hud, er en alternativ metode for å måle parametere som beskriver kvantitativt den underliggende fysiologiske endringer som oppstår i organet. Blood hemoglobin (Hb), vev oksygenmetning (STØ 2) eller oksygenert hemoglobin (oxyHb) nivåer har blitt brukt som proxyer for bestråling-indusert erytem hos mus 3-6. Etter bestråling, total Hb-nivåer gjennomgå svingninger, men oxyHb eller Sto to gjennomgå en karakteristisk tidlig kraftig økning, etterfulgt av enhøsten og en annen mer langvarig oppgang 3,6. Når irritanter blir brukt til å indusere huderytem, ​​vaskulære oxyHb nivåer direkte korrelerer med graden av lokal erythem og inflammasjon 7.

Diffus optisk spektroskopi (DOS) anvender nær-infrarødt lys for å tilveiebringe funksjonell informasjon om biokjemiske og mikrostruktur komponenter av vitale vev komponenter. Denne kvantitative, ikke-invasiv optisk teknologi tilbyr en metode for å måle den cytokin-induserte vasodilatasjon i blodkar som forekommer i løpet av erytem via funksjonelle surrogater av Hb-konsentrasjon og STO 2. Nyere studier som sammenligner DOS målte parametere med kontrollerte kliniske telling 8-11 indikerer potensialet av teknikken for å overvinne de begrensningene som ligger i dagens gradering systemer.

Her beskriver vi en in-house, bærbar, DOS system som benytter funksjonelle surrogater for kvantitativt Detecting forskjeller i stråling-indusert hud toksisitet i en pre-klinisk musemodell fem. Den beskrevne plattform kan være et middel for standardisert erytem scoring med høy følsomhet for tidlig oppdagelse og subtil differensiering av intervensjons narkotika respons. Dessuten, med bare mindre tilpasninger, instrumenteringen etter hvert kan brukes klinisk for sanntids sengen overvåking.

Protocol

Følgende metoder er i samsvar med retningslinjene fra Sunnybrook Research Institute Animal Care Ethics Committee.

1. Diffus refleksjon Spectroscopy System

  1. Samle diffuse refleksjon spektra ved hjelp av en håndholdt, fiberoptisk sonde og bærbar spektroskopiske oppkjøpet system som har blitt beskrevet tidligere (Kim et al. 2010) og er kort gjennomgått i figur 1 (og tilhørende bildetekster) for fullstendighet 1,2.

2. Utarbeidelse av Mouse Model of Acute Radiation hudskader

  1. Bestill seks uker gamle mus (helst hårløse, som atymiske eller SKH-1) og tillate dem å akklimatisere i dyret anlegget for en uke før du starter eksperimenter. Reserve minst 3 mus for en ikke-bestrålt kontrollgruppe og 5 mus for en bestrålt gruppe.
  2. Før baseline DOS målinger og bestråling, merke mus ved hjelp av øret slag eller permanent markør markings på halen. Hvis mus er ikke naken, fjerne håret på en 2 cm med 2 cm lapp av flanke hud, men dette kan irritere huden.

3. Diffuse optisk spektroskopi Data Acquisition

  1. Slå på strømforsyningen til elektronikken.
  2. For mus hud, sett signalparametere for erverv programvare ved å skrive inn 25 millisekunder for innsamling tid, 25 for signal gjennomsnitt og en for lukket godsvogn filter bredde. Disse parametrene har en rimelig balanse mellom oppkjøp tid og signal til støy.
  3. Ved hjelp av tilpassede programmert oppkjøpet programvare, automatisk få en bakgrunn lesing, R bg (LED av) og diffus refleksjon på to kilde detektor avstander, R måler (260 mikrometer, 520 nm) ved å klikke på "Acquire" -knappen. Den totale oppkjøpet tiden er ~ 2 sek.
  4. Slå av alle fluorescerende rom lysene ved å trykke på rommet lysbryter før du utfører målinger.
    MERK: fluorescerendeent rombelysning interferere med det detekterte signal (disse lysene frembringe et tidsvarierende lysintensitet, og det er således vanskelig å subtrahere som et bakgrunnssignal). Selv om glødelamper kan anvendes holde hjulene i en avstand fra DOS sonden for å unngå høye bakgrunnsnivåer (og dårlig signal-til-støy).

4. Animal anestesi og Baseline DOS Målinger

  1. Forbered anestesiapparatet ved å sikre at alle koblingene er intakte og flytende isofluran nivået er tilstrekkelig. Bruk en anestesi induksjon kammer med et vedlagt tube og nesen membran som kan tapes fast til en sterilisert, polstret overflate i behagelig avstand fra DOS sonde.
  2. Bedøver en bur av mus i en tid i induksjonskammeret ved å fremkalle med 4% isofluran i 30 sek. Senk isofluran utgjør 2% for de neste 2 min. Kontroller at musen er bedøvet ved å observere noe svar fra klemming en tå på bakben.
  3. Rasktflytte en mus på steriliserte DOS sondering, plasser den på høykant, fest snuten inn i nesen membran og åpne nesen membran slangen til strømmen av anestesi (2% isofluran).
    MERK: Hvis prosedyren tar lengre tid enn 1-2 min, gjelder veterinær salve på øynene for å hindre tørrhet.
  4. Før anskaffe mus hud målinger, sterilisere sonden ved å tørke med 70% etanol. Ikke steril huden.
  5. Plasser sonden forsiktig på flanken huden og pass på å unngå å spre den lokale blodkar. Holde sonden for hånd for varigheten av målingen.
  6. Acquire refleksjon data ved sondering en flanke hud område på ca 2 cm med 2 cm (området som skal bestråles) ved å følge 5-dot dannelse på en terning. Hold denne sondering mønster, område, sondetrykk og kropp side (venstre eller høyre) konsistent for alle etterfølgende målinger.
    MERK: Den komplette Skanningen tar ca 60 sek. Probe Trykket bør være akkurat nok til å få en skanne uten dispergering local blodkar.
  7. Beveg musen til en bedring bur, og flytte neste musen over til DOS sondering området. Gjenta trinn 04.02 til 04.06 før alle mus har blitt målt. Ikke la et dyr uten tilsyn før det har gjenvunnet nok bevissthet til å opprettholde sternal recumbency.

5. Animal bestråling

MERK: Denne protokollen krever bruk av en stråle, og dyr preparat kan måtte justeres for å møte behovene til stråleanordningen. Under bestrålingen, bør bare lite område av flanken hud utsettes for den stråle. Stråle bør plasseres i et sterilt anlegget og passende bur sterilisering bør observeres ved retur mus til sin sterile boligområde.

  1. Forbered anestesiapparatet (som i trinn 4.1 - 4.2) og bedøver en mus om gangen i induksjonskammeret før forbereder det for bestråling.
  2. Fjern musen fra induksjonskammeret, gently klype flanken huden og sted tape over og under strukket hud, danner en klaff.
  3. Plasser musen på en plexiglass scene og dekke kroppen med en tilpasset bly jigg (en arbeids utforming er en rektangulær boks med bunnen og i det minste en ende åpen, samt et sidevindu for å tillate flanke folie som kan trekkes gjennom). Trekk huden klaff gjennom jiggen vinduet og forsiktig tape klaffen på scenen.
    MERK: Skikken bly pilk er liten nok til å immobilisere musen. Hvis den tilpassede jigg ikke helt immobilisere musen, deretter bruke flere restrainers og / eller administrere ketamin (80-100 mg / kg) og xylazin (minst 10 - 12,5 mg / kg) via intraperitoneal injeksjon for å holde musen immobilisert gjennom hele bestråling prosedyre.
  4. Plasser plexiglass scenen med pilk og mus inn i stråle. Bestem innstillingene (hud avstand fra x-ray kilde, spenning, varighet og strømstyrke) og levere den ønskede dose (for eksempel 11 cm fra en 160 kVp x-strålekilde i 2,5 minutter med 6,3 mA).
    Merk: Vær forsiktig med x-ray kilde ved å følge maskin retningslinjer for bruk av for å unngå brannskader og DNA-skader.
    MERK: atymiske nakne mus utvikler fuktig avskalling rundt 14 dager etter bestråling som svar på 35 Gy, men bare mindre usammenhengende avskalling med 17 Gy.
  5. Ta apparatet og mus ut av stråle, fjerne skjerming, fjerne tapen og legg den i en individuell utvinning bur. Returner musen til normal delte bur etter at den har gjenopprettet fra anestesi. Gjenta trinn 05.02 til 05.04 for alle mus, og utføre en falsk operasjon på kontroll mus.
  6. Etter bestråling huse dyrene i sine vanlige forhold. Hvis unormal atferd utvikler (f.eks krum holdning, noe som kan bety smerte), ta kontakt med en veterinær for å diagnostisere problemet. Smertelindring kan omfatte administrasjon av 0,1 mg / kg buprenorfin subkutant eller som anvist av veterinær. Hvis vekttap overstiger 20% av normal body masse, huset det i bankens eget bur og gi høy nærings mat.

6. Oppfølging DOS Målinger

  1. Overvåke og måle hudreaksjon intensitet ved hjelp av kvantitative DOS teknikk. Visuell inspeksjon av hudforandringer og tidligere arbeid tyder på at store endringer i DOS parametere kan forventes (i forhold til baseline) rundt 6 - 12 dager etter bestråling 3,4. Men siden merk endringer kan skje enda tidligere eller senere, avhengig av modell, kan andre måle tidspunkter være nyttig å undersøke.
  2. Sett opp DOS utstyr og kalibreringer som er beskrevet i avsnittet 3.Prepare anestesiapparatet og få DOS målinger som beskrevet i kapittel 4.

7. Post-oppkjøpet Processing

MERK: Alle trinnene i neste avsnitt er utført ved hjelp av et tilpasset program laget i en høy ytelse software miljø. Standardisert navngiving klosterioner for hver spektral oppkjøp fil er ansatt for å tillate gruppebehandling. Alle trinn er illustrert i figur 2.

  1. Trekk fra baseline (støynivå) fra alle de målte spektra inkludert bakgrunnen lesing.
  2. Trekk bakgrunnen lesing, R bg (LED av), oppnådd i Trinn 3,3 fra målingen spekteret, R meas.
    MERK: For resten av denne artikkelen alle spektre antas å være støy gulvet og bakgrunn trekkes og referert til som R korr.
  3. Konverter R korr til absolutt refleksjon, R abs, som beskrevet i referansene 1,2 i punkt 1.
    1. Oppnå relative refleksjonsmålinger, Rrel, i Intralipid-20% fantomer (Fresenius Kabi, Sverige) phantoms med økende 3% alikvote fraksjoner opp til 48% (dvs. 3%, 6%, 9%, ..., 48%) og skape av tomt på Rrel versus Intralipid konsentrasjon.
    2. Generere en absolutt tomt på R abs versus &# 956; s 'med diffusjon ligning for refleksjon 14.
    3. Match toppen av både kurver og justere Rrel x-aksen for å matche R abs x-aksen.
    4. Ved en gitt bølgelengde og kilde-detektor separasjon, skalere y-aksen ved hjelp av:
      Figur 1
      MERK: I neste avsnitt, vil alle montering av målingene viser til R abs.

8. Spectral data Montering

MERK: Følgende avsnitt beskriver teori og passende algoritme brukes for å trekke ut funksjonelle parametere av mus hud. For all teori næringsdrivende, se følgende artikler 14-18 og referanser deri. Alle ligninger antas å være programmert i et high end vitenskapelig programvare-miljøet (som inneholder forhåndsprogrammerte moduler) som vanligvis brukes i fysikk eller tekniske laboratorier.

  1. Programmere en funksjon som beskriver enbsorption spektrum, u en (λ) av hud som summen av de enkelte relevante kromoforer i spektralområdet av interesse ved bruk av ligningen:
    Figur 1
    Her er H b den totale hemoglobinkonsentrasjon (g / L), mens Stø 2 er dimensjonsløs oksygenmetning som strekker seg fra 0 til 1.
  2. Skaff oxy, Figur 1 Og deoksy, Figur 1 , Hemoglobin spektra (lagret som tekstfiler) fra on-line samling av Prahl 19.
  3. Programmere en funksjon som beskriver spredning spekteret av huden, Figur 1 Ved hjelp av en kraft lov avhengighet, hvor A (cm-1) er verdien av μ s 'ved λ o = 1 nm, og k er et medium avhengig effektfaktor16.
  4. Programmet en matematisk funksjon for det fremre modell av diffus reflektans på grunnlag av likninger fra referanse 14 som innlemmer de spektrale ligningene fra trinn 8.2 til 8.3 i det fremre modellfunksjonen (dvs. R (r, u en (λ), u s '(λ )) = R (r, H b, Sto 2, A, k).
    MERK: Selv om ulike modeller finnes, gir steady-state diffusjonsteori ligningen en enkel og nøyaktig beskrivelse av lysfordeling i vev.
  5. Program en funksjon som kvadrater forskjellen mellom forovermodellerte reflektansspektra fra avsnitt 8.4 og den målte refleksjonsspektrene.
  6. Iterativt endre H b, Sto 2, A, og k inntil den minste kvadraters forskjell funksjon i punkt 8.5 er minst. Matlab er lsqcurvefit kan brukes til automatisk å utføre dette trinnet.
  7. Repeat trinn 08.05 til 08.06 for å få DOS parametere (H b, Sto 2, A og k) for alle målte refleksjon datasett.
  8. Plotte den relative endringen i DOS parameter med den tilsvarende unike referansemåling ved hjelp av gjennomsnittet av hver mus er satt av 3 - 5 normaliserte sonde punktmålinger. Disse tomter er opprettet ved hjelp av Matlab tomten kommando.

9. Visual Stråling Dermatitis Scoring Periode

  1. Overvåk og scorer hudreaksjon intensitet ved hjelp av en kvalitativ karakterskalaen (se Douglas og Fowler karakterskala 20) etter bestråling hver 48 time (en kan også observere endringer 3 - 24 hr etter bestråling). To anonymiserte etterforskere er ideelle. Anskaffelse av fotografier med et håndholdt kamera og referanseskala (dvs. linjal) kan hjelpe med evalueringer.
  2. MERK: Scoring huden hver to dager etter bestråling kan bidra til å bestemme optimale DOS måle ganger for modellen. Hyppigere scoring kan gi viktige data, avhengig av modell og problemstilling.
  3. Plott medianen for hver gruppe ved hvert tidspunkt. Sammenligne grupper på bestemte tidspunkter eller median total områdene under hver kurve.
  4. Etter mus har blitt fulgt til punkt hud healing som er ønsket (f.eks 4 uker), avlive mus ved en passende (godkjent) metoden.

Representative Results

Den refleksjon teknikk DOS gir et objektivt alternativ til tradisjonelle kvalitative metoder for evaluering av stråleindusert hud toksisitet. Visuelle forandringer i hudens utseende følgende toksiske doser av stråling til stede som endringer i både størrelsen og formen av den målte refleksjonsspektrene. Begge er knyttet til funksjonelle endringer i den underliggende cellulære mikrostruktur og tilstand fysiologisk vev. I denne delen er representative resultater fra tidligere publiserte arbeider av Yohan et al. 2014 fem anmeldt.

Figur 3 (til venstre) viser representative Spectra (tynne blå linjer) målt på en 260 mikrometer kilde-separasjon i en atymiske mus modell av huderytem 6 dager etter 40 Gy bestråling. Sammenlignet med pre-bestråling (figur 3, panel til høyre), er forskjeller i den spektrale formen på ~ 550-650 nm observert, likely grunn av en økning i oksygenrikt hemoglobin. En liten økning i total reflektans er også sett som er korrelert til en økning i vev spredende kraft. Den observerte spektra på dag 6 etter bestråling korrelert til en visuell hud poengsum på 0,75.

En evaluering av post bestrålingsrefleksjons endringer på utvalgte bølgelengder ikke gjør bruk av hele refleksjon spektrum og bærer også potensialet spørsmålet om støy følsomhet. Men passer hele spekteret gjør hele datasettet som skal konverteres til intuitive optiske biomarkører (H b, Stø 2). Figur 3 viser de resulterende anfall (solid grønn linje) av de målte data (tynn støyende linje) ved hjelp av ligningene som presenteres § 4. Utmerket avtalen er observert, noe som bekrefter at valg av basis chromophores og spredning form tilstrekkelig beskrive muse huden modell.

Figur 4 viser relative endringer i huden Sto to ulike tidspunkter (6, 9, 12 dager) i en bestrålt mus kohort (n = 8), mens Figur 5 viser de tilsvarende kvalitative hudreaksjon score. En progressiv økning i Sto to er observert at er statistisk forskjellig i forhold til pre-bestråling verdier enn alle 3 dager (p <0,05). Disse trendene speile visuelt observert økninger i huden skade alvorlighetsgrad som topp på dag 12 (gjennomsnittlig score på ~ 3) viser potensialet i Sto to som en visuell scoring surrogat (figur 5).

Det bør bemerkes at ingen statistisk signifikante endringer ble observert for noen av de returnerte optiske biomarkører forikke-bestrålt kontrollgruppe (n = 3) i løpet av 12 dager, målt (data ikke vist). Endringer i A og k kan også overvåkes over tid (figur 6), og disse indikerer at spredningsegenskaper i huden endrer seg som respons på strålingen.

Figur 1
Figur 1. DOS instrumentering. (A) Skjematisk fremstilling av den diffuse refleksjonsmålegeometri (B) Fiber-optisk sonde. Den optiske sonde består av en lineær oppstilling av 200 um kjerne av optiske fibre som er pakket i en 18 G nål metall og i avstand 260 um fra hverandre. To kilde fibre er koplet til to bredbåndslysemitterende dioder, mens et deteksjonsfiber er koplet til en optisk spektrometer. Ved i rekkefølge å slå på hver av kildene, kan spektrometeret samle diffuse refleksjon i avstander på 260 um og520 um fra hver av kilde fibre (C) Fullstendig DOS system inkludert laptop, festet fiberoptisk sonde og optikk boksen. En automatisert datainnsamlingsprogram blir brukt til å drive den sekvensiell innsamling av spektra. Elektronikken er plassert i et oppkjøp boks som kobles til fiberoptisk sonde via SMA kontakter. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
.. Figur 2 Spectral behandling Alle x-aksen vekter er i nm: (A) Raw relativ spektra, er grunnlinjen lesing omtrent mellom 900 - 1000 nm og tilnærmet lik bakgrunnssignalet (B) Relativ bakgrunn lesing (C.. ) Bakgrunn og baseline trekkes relative s pectra. (D) Absolutt kalibrert spekteret følgende skalering av bearbeidet spektra vist i (C). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Typisk hvitt lys reflektansspektra av ikke-bestrålt (til venstre) og bestrålt (høyre) muse hud 6 dager etter bestråling. Utmerket avtale mellom måling (støyende blå) og anfall (grønt) ble vanligvis observert. To viktige forskjeller ble sett mellom de to gruppene: 1) en generell økning i absolutt refleksjon og 2) en tydelig endring i spektral form mellom 550-600 nm. Med tillatelse fra Yohan et al. 2014 5.> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Endring i oksygene brøkdel av mus huden etter 40 Gy bestråling. Den baseline-normalisert gjennomsnittlig forskjell mellom de to gruppene (per mus) er vesentlig for Days 6 (ramme 1), 9 (boks 2) og 12 (boks 3 ). Med tillatelse fra Yohan et al. 2014 fem. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. Gjennomsnittlig kvalitativ hudreaksjoner score (n = 8) som en funksjon av dager etter 40 Gy bestrålt mus hud. Tilpasset fra Yohan et al. 2014 5. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. Relativ endring i A og k av mus huden etter 40 Gy bestråling på dag 6 (ramme 1), 9 (boks 2) og 12 (boks 3). Endringen i A (venstre side) og k (høyre side) på dag 6 (ramme 1, venstre og høyre side) ble funnet å være signifikant (p <0,026). Med tillatelse fra Yohan et al. 2014 fem. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

En DOS tilnærming for kvantitativ vurdering av stråling hud toksisitet bruker optisk biomarkører har blitt presentert. Visuelle hud toksisitet scoring systemer krever ekspert opplæring og selv da er utsatt for inter-observatør variabilitet og subjektivitet. Systemet og analyse programvare DOS er enkel å bruke, krever minimal opplæring og returnerer objektive funksjonelle parametere for å tolke fysiologiske endringer i huden. Videre, i stedet for som beskriver utseendet av en hud lesjon som en enkelt parameter, gir DOS en mengde informasjon i spektral form, optiske egenskaper og funksjonelle / mikrostruktur parametre som gir en ekstra grad av sensitivitet og spesifisitet ikke er tilgjengelige i dagens kvalitative telling. §§ 1 og 7 markere de viktigste behandlingstrinn for å få absolutte spektrale data som kan benyttes for kvantitativ montering av optiske biomarkører. Bakgrunn og baseline subtraksjon er avgjørende for å tillate brukeren å utføreDOS målinger under normale lysforhold. § 8 gir den nødvendige modeller og ligninger for å beskrive atymiske mus før og etter røntgenbestråling. Her er valget av riktige dempere avgjørende for en nøyaktig beskrivelse av den målte spektra. Det anbefales at brukeren grundig undersøke i litteraturen viktige dempere som dominerer bølgelengdeområdet og vev av interesse brukes i en gitt studie før konstruere en optisk biomarkør passende modell. Til slutt, §§ 3-5 beskrive håndteringen av atymiske mus under DOS oppkjøpet. For å unngå å forstyrre den lokale blodkar, bruke milde kraft for å plassere DOS sonde på musen hudoverflaten.

Selv om forholdsvis billig sammenlignet med hyperspektral kamerasystemer 3,4, en klar begrensning av den beskrevne DOS metode er bruken av et punkt sonde for å måle diffus reflektans. Dette refleksjon geometri nødvendig milde kontakt med huden oghar potensial til å innføre måleusikkerhet ved å dispergere den vaskulaturen hvis konsistent sonde-hud trykk ikke anvendes. Fremtidige design av DOS sonden kan omfatte en trykkføler for å opprettholde konsistente resultater. Videre, mens bruk av nær kilde-detektor avstanden (<2-3 mm) gjør det mulig for optiske dybder Verifiserer spesifikke for hudens overflate, kommer den forbedrede spesifisitet ved et tap av romlig oppløsning sammenlignet med 2D hyperspektralt avbildning. For å minimere denne begrensningen, en 5 punkt kvadrant scan som fanger opp den generelle bestrålte volum ble ansatt. Til tross for mangel på romlig oppløsning, har tidligere arbeid i mus 5 vist evne av optiske biomarkører gjennomsnitt over et tynt område for å skille ikke bare bestrålte og ikke-bestrålte huden, men også virkningen av hud sparsom intervensjons medikamenter slik som Vasculotide 6.

Det skal bemerkes at mens den totale systemdesign kan modifiseres for forskjellige hud -modeller, kan den underliggende basis-spektra og spredning av formen må være optimalisert. Nærmere bestemt, mens oksy- og deoksy-Hb vel beskrive en atymisk mus modell, anvendelse av den samme modell til mørkere hud kan kreve tilsetning av melanin for optimal tilpasning. I tillegg har forlengelsen av DOS båndbredde til høyere bølgelengder> 950 nm ville nødvendiggjøre tilsetning av vann, som dominerer ved høyere bølgelengder. Videre kan dyremodeller med forskjellige tykkelser hud krever en annen kilde-detektor avstanden for å optimalisere dybdefølsomhet. Til slutt, gjør den hårløse funksjonen algoritmer enklere. Selv om ikke-hårløse modeller kan være optimal for enkelte forskningsspørsmål, vil de kreve hårfjerning før DOS målinger, og hudirritasjon fra denne prosessen kan påvirke resultatene. For forskning hvor total immunfunksjon er avgjørende, en immunkompetente hårløse mus (f.eks SKH-1) kan tjene som en bedre modell på grunn av sin euthymic natur.

ent "> Viktige hensyn for DOS sondemålingene er konsistente RT og estimering av det bestrålte området. Temperatursvingninger kan påvirke vev Hb og STO 2 nivåer. Måling en gruppe 3 ikke-bestrålte dyr i hver datainnsamling tid kan fungere som baseline til som utilsiktede miljø svingninger i parameterverdier kan normaliseres. i tillegg kan det bestrålte området være vanskelig å anslå (hvis huden klaff forberedelsene ikke var i samsvar) før skaden begynner å manifestere seg visuelt rundt dag 5 (40 Gy). Hvis du bruker svart permanent markør for å dot grensene for stråling-eksponert hud, unngå overdreven blekk bruk for å unngå at blekket smøres utover, noe som kan kompromittere avlesninger.

En ekstra funksjon i systemet er evnen til å skille absorpsjon fra spredningsegenskaper. Mens alternative hyperspektral bildesystemer gir også muligheten til å overvåke oxyHb og Hb konsentrasjonen, den frie plass geometrien hyperspektral avbildning i er ute av stand til å løse spredning endringer. Denne begrensningen kan føre til unøyaktigheter i den returnerte oxyHb, Hb og Stø 2 parametre dersom vesentlige endringer i spredning oppstå på grunn av erytem (rødhet). Videre kan overvåking av spredning endringer ved hjelp av DOS gi ytterligere optiske biomarkører for erytem evaluering. Som vist i figur 6, de første resultatene fra Yohan et al. (2014) indikerer at A og k demonstrere en tidsmessig trend følgende ioniserende stråling som ikke korrelerer med trender observert fra andre alternative metoder som visuelle scoring systemer. Dette indikerer at sprednings endringene ikke manifestere seg i et visuelt beskrivende måte og kan faktisk være som beskriver et separat biologisk prosess. Derfor, sammenlignet med alternative metoder, gir DOS en høy oppløsning for overfladiske spredning endringer, en vei for å undersøke nye hudskader biomarkører som kan være atskilt fra de vanlige Hb-baserte målinger.

jove_content "> Selv om modellen anvender en stor enkeltstråledose (i stedet for flere små fraksjonerte doser som er brukt i klinisk setting), dette etterligner patofysiologien til akutte human hud radiotoksisitet 21. Man kan tenke seg at med ytterligere optimalisering, kan DOS tilveie en kvantitativ tilnærming for automatisert og standardisert scoring av strålingsinduserte hudreaksjoner. etter å mestre denne teknikken, kan fremtidige søknader omfatte overvåking forskjeller mellom hud sparsom therapeutics (f.eks sammenligne oxyHb nivåer mellom en kontroll og eksperimentell behandling for hud RADIO, eller for sårheling opprykk ). Mens ideelt for high-throughput legemiddelscreening i dyremodeller, er det DOS systemet potensielt kan tilpasses det kliniske miljøet på grunn av letthet av brukbarheten og evnen til å måle i normale lysforhold. i dette tilfelle, kan proben konstruksjon krever mindre modifikasjoner med litt større optode separasjoner å ta høyde forDen økte tykkelsen av menneskelig hud. En klinisk DOS system ville tillate for on-line evaluering av intervensjonene terapier som kan redusere smertefulle hudreaksjoner og forbedre pasientens komfort og compliance. I fremtiden kan det være interessant å utvide DOS-basert kvantifisering til funksjonene i kronisk stråleindusert hudskader (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).
Diffuse optisk spektroskopi for kvantitativ vurdering av akutt Ioniserende stråling Induced Skin Toxicity bruke en mus modell
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