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.
melhorias tecnológicas em radioterapia (RT) o planejamento e entrega agora permitem doses terapêuticas altamente isolantes a serem entregues para a região do tumor, poupando simultaneamente estruturas normais circundantes. No entanto, as toxicidades agudas graves e por vezes são inevitáveis quando o alvo altas doses está em estreita proximidade com a pele. Se for grave o suficiente, os danos tecido normal resultante pode afetar negativamente o resultado do tratamento de RT e qualidade de vida do paciente 1,2.
Apesar das consequências prejudiciais, a presença da administração de eritema cutâneo radiação continua a ser inespecíficos, empregando cremes ou pomadas que ignoram os mecanismos biológicos subjacentes que levam a danos. Estas abordagens baseiam-se em minimizar os sintomas e não a causa. Além disso, o calendário ea administração de terapias de intervenção é complicada pela natureza qualitativa e subjetiva da avaliação radiação lesão da pele. Enquanto vários reconhecidoorganizações (RTOG, EORTC) fornecem recomendações de classificação visual, instituições variam em sua escolha de pontuação preferida, obscurecendo, assim, as comparações de toxicidades normais de tecidos para fins de meta-análises. Além disso, tais sistemas de classificação são grosseiros e propenso a variabilidade inter-observador, de modo que as diferenças na radiação gravidade da lesão pode ser imperceptível nos estudos que avaliam estratégias de redução da toxicidade.
Em vez de descrever visualmente o grau do eritema em pele irradiada, uma abordagem alternativa é a medição de parâmetros que descrevem quantitativamente as alterações fisiológicas subjacentes que ocorrem no órgão. Hemoglobina no sangue (MP), a saturação de oxigénio do tecido (STO 2) ou os níveis de hemoglobina oxigenada (oxiHb) têm sido utilizados como substitutos para o eritema induzido por irradiação nos ratos 3-6. Após a irradiação, os níveis totais de Hb sofrer flutuações, mas oxiHb ou StO 2 submetidos a uma característica início de subida acentuada, seguida por umcair e outra 3,6 subida mais persistente. Quando irritantes são utilizados para induzir eritema da pele, os níveis de oxiHb vasculares correlacionam directamente com a gravidade do eritema local e inflamação 7.
Difuso espectroscopia óptica (DOS) emprega luz do infravermelho próximo para proporcionar informação funcional sobre os componentes bioquímicos e microestruturais dos componentes tecidos vitais. Esta tecnologia óptica quantitativa, não-invasiva oferece um método para medir a vasodilatação induzida por citocina em vasos sanguíneos que ocorrem durante o eritema através substitutos funcionais da concentração de Hb e StO 2. Estudos recentes comparando parâmetros medidos DOS com métodos de pontuação clínicos controlados 8-11 indicam o potencial da técnica para superar as limitações inerentes à classificação actual sistemas.
Aqui nós descrevemos, um sistema DOS in-house portátil, que emprega substitutos funcionais para quantitativamente detecting diferenças de toxicidade cutânea induzida por radiação em um modelo de rato pré-clínica 5. A plataforma descrito pode fornecer um meio de pontuação eritema padronizado com alta sensibilidade para a detecção precoce e diferenciação sutil de resposta à droga intervencionista. Além disso, apenas com pequenas adaptações, a instrumentação podem, eventualmente, ser utilizados clinicamente para o controlo à cabeceira em tempo real.
Uma abordagem DOS para avaliar quantitativamente toxicidade cutânea de radiação utilizando biomarcadores ópticos foi apresentado. sistemas de pontuação visuais de toxicidade de pele exigem formação especializada e, mesmo assim, são propensas a variabilidade inter-observador e subjetividade. O sistema e análise de software DOS é simples de usar, requer um mínimo de treinamento e retorna parâmetros funcionais objetivos para interpretar alterações fisiológicas na pele. Além disso, em vez de descrever a aparência de uma lesão da pele, como parâmetro único, DOS fornece uma variedade de informações em forma espectral, propriedades ópticas e funcionais / parâmetros microestruturais que oferecem um maior grau de sensibilidade e especificidade não disponíveis em métodos de pontuação qualitativos actuais. Os pontos 1 e 7 de destacar as principais etapas de processamento para a obtenção de dados espectrais absolutos que podem ser utilizados para a montagem quantitativa de biomarcadores ópticos. Antecedentes e subtracção da linha de base são vitais para permitir que o usuário executeas medições do DOS sob condições normais de iluminação. Secção 8 proporciona os modelos e as equações necessárias para descrever ratinhos atímicos antes e após irradiação com raios-X necessárias. Aqui, a escolha de absorventes apropriados é vital para uma descrição precisa do espectro medido. É aconselhável que o usuário investigar minuciosamente na literatura os absorventes principais que dominam o intervalo e tecido de juro utilizada em um determinado estudo prévio para a construção de um modelo de ajustamento biomarcador óptica de comprimento de onda. Finalmente, as secções 3-5 descrevem o tratamento dos ratinhos atímicos durante a aquisição DOS. Para evitar prejudicar a vascularização local, usar a força suave para colocar a sonda DOS na superfície da pele do rato.
Apesar de ser relativamente barata em comparação com sistemas de câmara de hiper 3,4, uma clara limitação do DOS abordagem descrita é a utilização de uma sonda de medição de ponto de reflectância difusa. Este necessidades geometria de reflectância contato suave com a pele etem o potencial de apresentar incerteza de medida por dispersão da vasculatura, se a pressão da sonda-pele consistente não é empregue. projetos futuros da sonda DOS pode incorporar um sensor de pressão para manter resultados consistentes. Além disso, embora o uso de separação de fontes detector estreita (<2-3 mm) permite a profundidades de sondagem ópticos específicos à superfície da pele, a especificidade melhorada vem em uma perda de resolução espacial em relação à imagem 2D hiperespectral. Para minimizar essa limitação, uma varredura quadrante de 5 pontos que capta o volume irradiado geral foi empregado. Apesar da falta de resolução espacial, o trabalho anterior em ratos 5 demonstrou a capacidade de biomarcadores ópticos, calculados sobre uma área escassa para diferenciar não só pele irradiada e não irradiado, mas também o impacto da pele poupadores de drogas intervencionistas, como Vasculotide 6.
Deve notar-se que, enquanto a concepção global do sistema pode ser modificado para a pele diferente modelos, a forma subjacente espectros de base e de espalhamento podem precisar de ser optimizada. Especificamente, enquanto oxi- e desoxi-Hb bem descrever um modelo de ratinho atímico, a aplicação do mesmo modelo de pele mais escura pode exigir a adição de melanina para a montagem óptima. Além disso, a extensão da largura de banda para DOS maiores comprimentos de onda> 950 nm necessitaria da adição de água, o qual domina a comprimentos de onda mais elevados. Além disso, os modelos animais com diferentes espessuras de pele podem exigir uma fonte de separação de detectores diferente para optimizar a sensibilidade profundidade. Por último, o recurso sem pêlos faz algoritmos simples. Embora os modelos não-calvos pode ser ótimo para determinadas questões de pesquisa, que vai exigir a remoção do cabelo antes das medições do DOS, e irritação da pele a partir deste processo podem afetar os resultados. Para a pesquisa, onde a função imunológica total é fundamental, um rato sem pêlo imunocompetente (por exemplo, SKH-1) pode servir como um modelo melhor devido à sua natureza eutímicos.
ent "> Considerações importantes para as medições da sonda DOS são consistentes RT e estimativa da área irradiada. flutuações de temperatura podem afetar o tecido Hb e Sto 2 níveis. Medindo um grupo de 3 animais não irradiados em cada tempo de coleta de dados pode servir como uma base para que flutuações ambientais não intencionais nos valores dos parâmetros pode ser normalizada. Além disso, a área irradiada pode ser difícil de estimar (se preparações de aba de pele não eram consistentes) antes que os danos começa a manifestar-se visualmente por volta do dia 5 (40 Gy). Se usando o marcador permanente preto para dot os limites da pele exposta a radiação, evitar a utilização excessiva de tinta para evitar que manchas de tinta, o que pode comprometer leituras.Uma característica adicional do sistema é a capacidade de absorção de separar as propriedades de espalhamento. Enquanto sistemas de imagens hiperespectrais alternativos também fornecem a capacidade de monitorar oxiHb e concentração de Hb, a geometria do espaço livre i imagem hiperespectral é incapaz de resolver mudanças dispersão. Esta limitação pode resultar em imprecisões no voltou oxiHb, Hb e Sto 2 parâmetros, se mudanças significativas na dispersão ocorrer devido a eritema (vermelhidão). Além disso, o monitoramento de mudanças espalhamento usando DOS pode fornecer biomarcadores ópticos adicionais para a avaliação eritema. Como mostrado na Figura 6, os resultados iniciais de Yohan et al. (2014) indicam que A e k demonstram uma tendência temporal, após radiação ionizante que não se correlacionam com as tendências observadas de outros métodos alternativos, tais como sistemas de pontuação visual. Isto indica que as alterações de dispersão não manifestar de um modo visualmente descritiva e pode, de facto, estar a descrever um processo biológico separada. Portanto, em comparação com métodos alternativos, DOS fornece uma alta resolução para mudanças de espalhamento superficial, uma avenida para investigar biomarcadores de dano da pele novos que podem ser separadas das habituais medidas baseadas em Hb.
jove_content "> Embora o nosso modelo emprega uma grande dose única de radiação (em vez de múltiplas doses fraccionadas pequenas que são utilizados na prática clínica), esta imita a patofisiologia da radiotoxicidade pele humana aguda 21. Prevê-se que com uma maior optimização, DOS pode fornecer uma abordagem quantitativa para a pontuação automatizado e padronizado de reacções cutâneas de radiação induzida. Depois de dominar esta técnica, aplicações futuras podem incluir monitoramento diferenças entre terapêutica preservação de pele (por exemplo, comparando os níveis de oxiHb entre um controle e tratamento experimental para radioproteção pele, ou para a promoção de cicatrização de feridas ). Enquanto ideal para o rastreio de fármacos de alto rendimento em modelos animais, o sistema dOS é potencialmente adaptável para o ambiente clínico, devido a facilidade de utilização e a capacidade de medir, em condições normais de iluminação. neste caso, o desenho da sonda podem requerer modificações menores com separações optode um pouco maior para dar contao aumento da espessura da pele humana. Um sistema DOS clínica iria permitir uma avaliação on-line de terapias de intervenção que poderiam minimizar reacções cutâneas dolorosas e melhorar o conforto do paciente e conformidade. No futuro, pode ser interessante para expandir quantificação DOS para as características de radiação induzida por danos crônica da pele (por exemplo, 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 |