Login processing...

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

Medicine

Diffus optisk spektroskopi för kvantitativ bedömning av akut joniserande strålning inducerad Skin toxicitet med hjälp av en musmodell

doi: 10.3791/53573 Published: May 27, 2016

Introduction

Tekniska förbättringar inom strålterapi (RT) planering och genomförande tillåter nu för mycket konform terapeutiska doser som ska levereras till tumörområdet och samtidigt skona normala omgivande strukturer. Ännu, akuta och ibland allvarliga toxiciteter är oundvikliga när målet höga dos är i nära anslutning till huden. Om allvarlig nog, kan den resulterande normal vävnadsskada negativt påverka RT behandlingsresultat och patientens livskvalitet 1,2.

Trots de negativa konsekvenserna, nuvarande ledning av strålning hudrodnad förblir ospecifik, som sysselsätter krämer eller salvor som ignorerar de underliggande biologiska mekanismer som leder till skador. Dessa metoder är baserade på att minimera symptom snarare än orsaken. Dessutom är tidpunkten och administration av interventionella behandlingar kompliceras av kvalitativa och subjektiva bedömning strålning hudskada. Medan flera erkändaorganisationer (RTOG, EORTC) ger visuella betygs rekommendationer, institutioner varierar i deras val av föredragen poäng och därmed döljer jämförelser av normala vävnads toxicitet i syfte att meta-analyser. Vidare, sådana klassificeringssystem är rå och benägna att inter observatör variabilitet så att skillnader i strålnings skadornas svårighetsgrad kan vara urskiljas i studier som utvärderar minsknings toxicitet strategier.

I stället för att visuellt beskriva graden av erytem i bestrålad hud, är en alternativ metod för att mäta parametrar som kvantitativt beskriver de underliggande fysiologiska förändringar som sker i orgeln. Blodhemoglobin (Hb), vävnadssyremättnad (STO 2) eller syresatt hemoglobin (oxyHb) nivåer har använts som proxyservrar för bestrålning-inducerad erytem hos möss 3-6. Efter bestrålning, totala Hb nivåer undergår fluktuationer, men oxyHb eller STO 2 genomgår en karakteristisk tidigt kraftig ökning, följt av enfalla och en annan mer ihållande ökning 3,6. När irriterande används för att inducera hudrodnad, vaskulära oxyHb nivåer direkt korrelerar med svårighetsgraden av den lokala erytem och inflammation 7.

Diffus optisk spektroskopi (DOS) använder nära infrarött ljus för att ge funktionell information om de biokemiska och mikrostrukturella komponenter i vitala vävnader komponenter. Detta kvantitativa, icke-invasiv optisk teknologi erbjuder en metod för att mäta den cytokin-inducerad vasodilatation i blodkärl som inträffar under erytem via funktionella ersättningar för Hb koncentration och STO 2. Nyligen genomförda studier som jämför DOS uppmätta parametrarna med kontrollerade kliniska scoringmetoder 8-11 tyder på möjligheten av tekniken för att övervinna de begränsningar som för nuvarande betygs system.

Här beskriver vi en in-house, bärbart, DOS-system som använder funktionella surrogat för kvantitativt detecting skillnader i strålningsinducerad hud toxicitet i en preklinisk musmodell 5. Den beskrivna plattformen kan tillhandahålla ett medel för standardiserad erythema poäng med hög känslighet för tidig upptäckt och subtil differentiering av interventionell läkemedelssvar. Dessutom, med endast mindre anpassningar, instrumenteringen kan eventuellt användas kliniskt för realtidssäng övervakning.

Protocol

Följande metoder är i enlighet med riktlinjerna i Sunnybrook Research Institute Animal Care etikkommittén.

1. Diffus reflektansspektroskopi System

  1. Samla diffus reflektans spektra med hjälp av en handhållen, fiberoptisk sond och bärbar spektroskopiska förvärvssystem som har beskrivits tidigare (et al. Kim 2010) och kortfattat i figur 1 (och tillhörande bildtexter) för fullständig 1,2.

2. Framställning av musmodell av akut strålnings hudskador

  1. Ordningens sex veckor gamla möss (företrädesvis hårlösa, såsom atymiska eller SKH-1) och tillåta dem att acklimatisera i djuranläggningen i en vecka före start experiment. Reserv minst 3 möss för en icke-bestrålade kontrollgruppen och 5 möss för en bestrålad grupp.
  2. Innan utgångs DOS mätningar och bestrålning, märka möss med användning av öron slag eller märkpenna markings på svansen. Om möss är inte naken, ta bort hår på en 2 cm x 2 cm plåster på flank hud, men detta kan orsaka hudirritation.

3. Diffus optisk spektroskopi Data Acquisition

  1. Slå på strömförsörjningen till elektroniken.
  2. För mushud, ställa in signalparametrar för förvärv programvara genom att skriva in 25 msek för insamling tid, 25 för genomsnitt signal- och en för boxcar filter bredd. Dessa parametrar ger en rimlig balans mellan förvärvstiden och signal-brus.
  3. Använda anpassade programmerad förvärv programvara, automatiskt få en bakgrundsavläsning, R bg (LED släckt) och diffus reflektion vid två källdetektorseparationsavstånd, R meas (260 um, 520 pm) genom att klicka på knappen "Hämta". Den totala förvärvstiden är ~ 2 sek.
  4. Stäng av alla lysrör rum ljus genom att trycka på rummet strömbrytaren innan du utför mätningar.
    OBS: fluorescerent rumsljus stör den detekterade signalen (dessa lampor producera en tidsvarierande ljusintensitet och således är det svårt att subtrahera som en bakgrundssignal). Även om glödlampor kan användas hålla lampor på ett avstånd från DOS-sonden för att undvika höga bakgrundsnivåer (och dålig signalbrus).

4. Djur anestesi och baslinje DOS Mätningar

  1. Förbered anestesiapparaten genom att se till att alla anslutningar är intakta och flytande isofluran nivå är tillräcklig. Använd en anestesi induktion kammare med en bifogad slang och noskon som kan tejpas ned till en steriliserad, mjukt vadderade yta inom bekvämt räckhåll från DOS sonden.
  2. Söva en bur av möss åt gången i induktionskammaren genom att inducera med 4% isofluran under 30 sek. Sänk isofluran uppgår till 2% för nästa 2 min. Kontrollera att musen bedövas genom att observera något svar från kläm en tå i bakbenet.
  3. Snabbtflytta en mus på steriliserade DOS sondera område, placera den på sin sida, fast nosen i noskonen och öppna noskonen slangen till flödet av anestesi (2% isofluran).
    OBS: Om proceduren tar längre tid än 1-2 minuter, applicera veterinär salva på ögonen för att förhindra torrhet.
  4. Innan de kan få mätningar mushud, sterilisera sonden genom att torka med 70% etanol. Inte sterilisera huden.
  5. Placera sonden försiktigt på flanken huden och se till att undvika dispergering den lokala kärl. Håll sonden för hand under hela mätningen.
  6. Förvärva reflektionsdata genom att sondera en flank hudområde på ca 2 cm med 2 cm (området som skall bestrålas) genom att följa 5-dot formation på en tärning. Hålla denna sondering mönster, område, sondtryck och kroppssida (vänster eller höger) konsekvent för alla efterföljande mätningar.
    OBS: Den fullständiga Skanningen tar ungefär 60 sekunder. Probe Trycket bör vara precis tillräckligt för att erhålla en scan utan dispergering lOCAL vaskulatur.
  7. Flytta musen till en återhämtning bur, och flytta nästa musen över till DOS sondera området. Upprepa steg 4,2-4,6 tills alla möss har mätts. Lämna inte ett djur utan tillsyn tills den har återfått tillräcklig medvetenhet för att upprätthålla sternala VILA.

5. Animal bestrålning

OBS: Detta protokoll kräver användning av en bestrålare, och djur förberedelse kan behöva justeras för att tillgodose behoven hos den bestrå enheten. Under bestrålningen bör endast litet område av flank hud exponeras på strålen. Den bestrå bör placeras i en steril anläggning och lämplig bur sterilisering bör iakttas när de återvänder möss till sin sterila bostadsområde.

  1. Förbered anestesiapparaten (som i steg 4,1 - 4,2) och söva en mus i taget i induktionskammaren innan du förbereder den för bestrålning.
  2. Ta musen från induktionskammare, gently nypa flanken huden och plats tejp över och under den sträckta huden och bildar en flik.
  3. Placera musen på en plexiglas scenen och täcka kroppen med en anpassad bly jigg (en fungerande design är en rektangulär låda med botten och åtminstone en ände öppen, tillsammans med ett sidofönster för att tillåta flank huden att dras igenom). Dra huden flik genom jiggen fönstret och försiktigt tejpa klaffen på scenen.
    OBS: Den anpassade bly jiggen är tillräckligt liten för att immobilisera musen. Om den anpassade jiggen inte helt immobilisera musen, sedan använda ytterligare rörelsehindrande anordningar och / eller administrera ketamin (80-100 mg / kg) och xylazin (10 till 12,5 mg / kg) via intraperitoneal injektion för att hålla musen immobiliseras genom hela bestrålning procedur.
  4. Placera plexiglas scenen med jiggen och mus i bestrålare. Bestäm inställningar (hud avstånd från röntgenkällan, spänning, varaktighet och strömstyrka) och leverera den önskade dosen (t.ex. 11 cm från en 160 kVp x-ray källa för 2,5 minuter med 6,3 mA).
    OBS: Var försiktig med röntgenkällan genom att följa riktlinjerna maskin användning för att undvika brännskador och DNA-skada.
    OBS: atymiska nakna möss utvecklar fuktig deskvamation runt 14 dagar efter bestrålning som svar på 35 Gy, men endast mindre ojämn deskvamation med 17 Gy.
  5. Ta apparaten och mus ur bestrålningsanordningen bort avskärmningen, ta bort tejpen och placera den i en individuell återhämtning bur. Återgå musen till sin normala delad bur efter att den har återhämtat sig från anestesi. Upprepa steg 5,2-5,4 för alla möss, och utför en simulerad operation på kontrollmöss.
  6. Efter bestrålning, hysa djur i deras vanliga förhållanden. Om onormalt beteende utvecklas (t.ex. krökt kroppshållning, vilket kan innebära smärta), konsultera en veterinär för att diagnostisera problemet. Smärtlindring kan inkludera administrering av 0,1 mg / kg buprenorfin subkutant eller enligt anvisningar från veterinär. Om viktminskning överstiger 20% av normala BODY massa, hus den separat i sin egen bur och ge hög närings mat.

6. Uppföljning DOS Mätningar

  1. Övervaka och mäta hudreaktion intensitet med hjälp av kvantitativa DOS-tekniken. Visuell inspektion av hudförändringar och tidigare arbete tyder på att stora förändringar i DOS parametrar kan förväntas (i förhållande till baslinjen) ca 6 - 12 dagar efter bestrålning 3,4. Eftersom betydande förändringar kan ske ännu tidigare eller senare beroende på modell, kan andra mätnings tidpunkter vara nyttigt att undersöka.
  2. Ställ upp DOS utrustning och kalibreringar som beskrivs i avsnitt 3.Prepare anestesiapparaten och förvärva DOS mätningar som beskrivs i avsnitt 4.

7. Post-förvärv Processing

OBS: Alla steg i följande avsnitt utförs med hjälp av ett anpassat program som skapats i en högpresterande programvarumiljö. Standardiserad namngivning klosterjoner för varje spektral förvärv fil används för att göra det möjligt för batch-bearbetning. Alla steg som illustreras i figur 2.

  1. Subtrahera baslinjen (brusgolvet) från alla uppmätta spektra inklusive bakgrundsavläsning.
  2. Subtrahera bakgrundsavläsningen, R bg (LED släckt), som erhållits i steg 3,3 från mätningen spektrum, R meas.
    OBS: Under resten av denna artikel alla spektra antas vara brusgolvet och bakgrund subtraheras och kallas R korr.
  3. Konvertera R korr till absoluta reflektions, R abs, som beskrivs i referenserna 1,2 i avsnitt 1.
    1. Erhålla relativa mätningar reflektans, Rrel, i Intralipid-20% fantomer (Fresenius Kabi, Sverige) fantomer med ökande 3% alikvota fraktioner upp till 48% (dvs., 3%, 6%, 9%, ..., 48%) och skapa av handlingen i Rrel kontra Intralipid koncentration.
    2. Generera en absolut tomt på R abs kontra &# 956; s "med diffusionsekvationen för reflektion 14.
    3. Matcha toppen av båda kurvorna och justera Rrel x-axeln för att matcha R abs x-axeln.
    4. Vid en given våglängd och källdetektorseparation, skala y-axeln genom att använda:
      Figur 1
      OBS: I följande avsnitt kommer all montering av Måtten gäller R abs.

8. Spectral Data Montering

OBS: Följande avsnitt beskriver teorin och passande algoritm utnyttjas för att extrahera funktionella parametrar hos möss hud. För alla teori som används, hänvisas till följande artiklar 14-18 och referenser däri. Alla ekvationer antas programmeras i ett high end vetenskaplig programvarumiljö (innehållande förprogrammerade moduler) som vanligen används i fysik eller ingenjörs Labs.

  1. Programmera en funktion som beskriver enbsorption spektrum | j en (λ) av hud som summan av relevanta enskilda kromoforer i spektralområdet av intresse med användning av ekvationen:
    Figur 1
    Här, är H b den totala hemoglobinkoncentrationen (g / L), medan STO 2 är enhetslös syremättnad som sträcker sig från 0 till 1.
  2. Erhålla oxi, Figur 1 Och deoxi, Figur 1 , Hemoglobin spektra (lagras som textfiler) från on-line samling av Prahl 19.
  3. Programmera en funktion som beskriver spridningsspektrum av hud, Figur 1 , Med användning av en makt lag beroende, där A (cm -1) är värdet på μ s 'vid λ o = 1 nm och k är ett medium beroende effektfaktor16.
  4. Programmera en matematisk funktion för framtida modellen för diffus reflektans baserat på ekvationer från 14 referens som innehåller de spektrala ekvationer från steg 8,2 till 8,3 i den framtida modellen funktionen (dvs, R (r, | j en (λ), | j s '(λ )) = R (r, Hb, STO 2, A, k).
    OBS: Även om olika modeller finns, ger steady-state diffusionsteori ekvation en enkel och korrekt beskrivning av ljusfördelningen i vävnad.
  5. Programmera en funktion som rutor skillnaden mellan den främre modellerade reflektionsspektra från avsnitt 8.4 och den uppmätta reflektionsspektra.
  6. Iterativt ändra Hb, STO 2, A och k tills minsta kvadratskillnaden funktion i avsnitt 8.5 är minst. MatLab: s lsqcurvefit kan användas för att automatiskt utföra detta steg.
  7. Repeat steg 8,5-8,6 för erhållande DOS parametrar (Hb, STO 2, A, och k) för alla uppmätta reflektansvärdena datauppsättningar.
  8. Rita den relativa förändringen i DOS parameter med motsvarande unika referensmätning med genomsnittet av varje mus uppsättning av tre - 5 normaliserade mätningar sond plats. Dessa tomter skapas med MatLab täppa kommando.

9. Visual strålningsdermatit Scoring Period

  1. Övervaka och poäng hudreaktion intensitet med hjälp av en kvalitativ betygsskala (se Douglas och Fowler betygsskala 20) efter bestrålning var 48 h (man kan också observera förändringar 3 - 24 h efter bestrålning). Två blindad utredare är idealiska. Förvärva fotografier med en handhållen kamera och referensskalan (dvs linjal) kan hjälpa till med utvärderingar.
  2. OBS: Poäng huden varannan dag efter bestrålning kan bidra till att avgöra optimala DOS mättider for modellen. Tätare scoring kan ge viktiga data beroende på modell och frågeställningen.
  3. Plotta medianen av varje grupp vid varje tidpunkt. Jämför grupper vid specifika tidpunkter eller median övergripande områden under varje kurva.
  4. Efter möss har följts till punkt hud healing som önskas (t.ex. 4 veckor), euthanize möss genom en lämplig metod (godkänd).

Representative Results

DOS reflektionstekniken ger en objektiv alternativ till traditionella kvalitativa metoder för att utvärdera strålningsinducerad hud toxicitet. Visuella förändringar i hudens utseende följande toxiska doser av strålning närvarande som förändringar i både storleken och formen hos den uppmätta reflektionsfaktorspektra. Båda är relaterade till funktionella förändringar i den underliggande cellulära mikro och fysiologiska vävnadstillstånd. I detta avsnitt är representativa resultat från tidigare publicerade arbeten av Yohan et al. 2014 5 över.

Figur 3 (vänster) visar representativa spektra (tunna blå linjer) mätt vid en 260 um källa-separation i en atymiska musmodell av hudrodnad 6 dagar efter 40 Gy bestrålning. Jämfört med före bestrålning (Figur 3, högra panelen), är skillnader i den spektrala formen på ~ 550-650 nm observeras, likely på grund av en ökning av syresatt hemoglobin. En liten ökning av absoluta reflektions ses också som är korrelerad till en ökning i vävnadsspridningseffekt. Den observerade spektra på dag 6 efter bestrålning korrelerad till en visuell hud poäng på 0,75.

En utvärdering av post bestrålning reflektions förändringar på utvalda våglängder inte utnyttjar hela reflektionsspektrumet och även bär potentiellt problem bullerkänslighet. Men passar hela spektrat gör hela datamängden som ska omvandlas till intuitiva optiska biomarkörer (H b, sto 2). Figur 3 visar de resulterande passar (fast grön linje) för de uppmätta data (tunn bullriga linje) med hjälp av ekvationerna som presenteras i avsnitt 4. Utmärkt överenskommelse observeras, bekräftar att valet av ränte kromoforer och spridnings form beskriva mushud modellen adekvat.

Figur 4 visar relativa förändringar i huden STO 2 för olika tid-punkter (6, 9, 12 dagar) i en bestrålad mus kohort (n = 8), medan figur 5 visar de motsvarande kvalitativa hudreaktion betyg. En progressiv ökning av STO 2 observeras som är statistiskt olika jämfört med före bestrålning värden över alla 3 dagar (p <0,05). Dessa trender speglar visuellt observerade ökningarna i hudskada svårighetsgrad som topp vid dag 12 (genomsnitt på ~ 3) som visar potentialen för STO 2 som en visuell poängsättning surrogat (Figur 5).

Det bör noteras att inga statistiskt signifikanta förändringar sågs för någon av de returnerade optiska biomarkörer för denicke-bestrålade kontrollgruppen (n = 3) under de 12 dagar som uppmätts (data ej visade). Förändringar i A och k kan också övervakas över tid (figur 6), och dessa visar att spridande egenskaper hos huden förändras som svar på strålningen.

Figur 1
Figur 1. DOS instrumentering. (A) Schematisk bild av den diffusa reflektansen mätgeometri (B) Fiber-optisk prob:. Den optiska sonden består av en linjär grupp av 200 fim kärna optiska fibrer som är sammanslagna i en 18 G metallnål och åtskilda 260 | j, m från varandra. Två källfibrer är kopplade till två bredbands lysdioder medan en detekteringsfiber är ansluten till en optisk spektrometer. Genom att sekventiellt slå på var och en av källorna, kan spektrometern samla diffus reflektans på ett avstånd av 260 ^ m och520 pm från var och en av källfibrerna (C) Komplett DOS-system inklusive laptop, fäst fiberoptisk sond och optisk rutan. En automatisk datainsamling program används för att driva den sekventiella insamling av spektra. Elektroniken är inrymda i ett förvärv som är ansluten till den fiberoptiska sond via SMA-kontakter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
.. Figur 2 Spectral bearbetning All-axelskalor är i nm: (A) Rå relativ spektra, är läsningen ungefär mellan 900 baslinjen - 1000 nm och ungefär lika med bakgrundssignalen (B) Relativ bakgrundsavläsningen (C.. ) bakgrund och utgångs subtraheras relativa s pectra. (D) Absolut kalibrerad spektrum efter skalning av bearbetat spektra visas i (C). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Typisk vitt ljusreflektion spektra av icke-bestrålade (vänster) och bestrålade (höger) mushud 6 dagar efter bestrålning. Utmärkt överenskommelse mellan mätning (bullriga blå) och passar (fast grönt) var typiskt observeras. Två viktiga skillnader sågs mellan de två grupperna: 1) en total ökning av absoluta reflektions och 2) en tydlig förändring i spektral form mellan 550-600 nm. Med tillåtelse från Yohan et al. 2014 5.> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4
Figur 4. Förändring i syresättning fraktionen av mushud efter 40 Gy bestrålning. Baslinjen-normaliserade genomsnittliga skillnaden mellan de två grupperna (per mus) är signifikant för Days 6 (ruta 1), 9 (ruta 2) och 12 (Box 3 ). Med tillåtelse från et al. Yohan 2014 5. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5. Genomsnittlig kvalitativ hudreaktioner poäng (n = 8) som en funktion av dagar efter 40 Gy bestrålade möss hud. Anpassad från Yohan et al. 2014 5. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 6
Figur 6. Relativa förändringar i A och K i mushud efter 40 Gy bestrålning Dag 6 (ruta 1), 9 (ruta 2) och 12 (ruta 3). Förändringen i A (till vänster) och k (till höger) Dag 6 (ruta 1, vänster och höger sida) befanns vara signifikant (p <0,026). Med tillåtelse från et al. Yohan 2014 5. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

En DOS metod för kvantitativ bedömning av strålning huden toxicitet med optisk biomarkörer har presenterats. Visuella hudtoxicitet poängsystem kräver expertutbildning och även då är benägna att inter observatör variabilitet och subjektivitet. DOS-systemet och analysprogram är enkel att använda, kräver minimal utbildning och returnerar objektiva funktionella parametrar för att tolka fysiologiska förändringar i huden. Dessutom, i stället för att beskriva utseendet på en hudförändring som en enda parameter, ger DOS en mängd information i spektral form, optiska egenskaper och funktionella / mikro parametrar som ger en ökad grad av känslighet och specificitet inte är tillgängliga i dagens kvalitativa scoringmetoder. Avsnitt 1 och 7 belysa de viktigaste behandlingssteg för att erhålla absoluta spektraldata som kan utnyttjas för kvantitativ montering av optiska biomarkörer. Bakgrund och baslinjesubtraktion är avgörande för att göra det möjligt för användaren att utföraDOS mätningar under normala ljusförhållanden. Avsnitt 8 tillhandahåller de nödvändiga modeller och ekvationer som behövs för att beskriva atymiska möss före och efter röntgenstrålning. Här är avgörande för en korrekt beskrivning av den uppmätta spektra val av lämpliga absorbenter. Det rekommenderas att användaren noggrant undersöka i litteraturen nyckeldämparna som dominerar våglängdsområdet och vävnad av intresse som används i en given studie före konstruktion av en optisk biomarkör passande modell. Slutligen, §§ 3-5 beskriver hanteringen av atymiska möss under DOS förvärv. För att undvika att störa den lokala kärl, använd mild kraft att placera DOS sonden på ytan mushud.

Medan relativt billigt jämfört med hyperspektrala kamerasystem 3,4, är en klar begränsning av den beskrivna DOS tillvägagångssätt användningen av en punkt sond för mätning av diffus reflektans. Detta reflektionsgeometri nödvändigheter mild kontakt med huden ochhar potential att införa mätosäkerheten genom dispergering av kärl om konsekvent probe-trycket mot huden inte används. Framtida konstruktioner av DOS-proben kan innehålla en trycksensor för att upprätthålla konsekventa resultat. Vidare, medan användningen av nära källa-detektorseparation (<2-3 mm) möjliggör för optiska probningsdjup som är specifika för hudytan, kommer den förbättrade specificiteten hos en förlust av rumslig upplösning jämfört med 2D hyperspektral avbildning. För att minimera denna begränsning, 5 poäng kvadrant scan som fångar den totala bestrålade volymen användes. Trots bristen på rumslig upplösning, har tidigare arbete i möss 5 visat förmåga optiska biomarkörer i genomsnitt över en gles område att skilja inte bara bestrålade och icke-bestrålade huden utan också effekterna av huden sparande interventionella läkemedel såsom Vasculotide 6.

Det bör noteras att medan den övergripande systemkonstruktionen kan modifieras för olika hud modeller, kan den underliggande grunden spektra och spridning form måste optimeras. Specifikt, medan oxi- och deoxi-Hb väl beskriva en atymiska musmodell tillämpning av samma modell till mörkare hud kan kräva tillsats av melanin för optimal passform. Dessutom, förlängning av DOS bandbredd till högre våglängder> 950 nm skulle kräva tillsats av vatten, som dominerar vid högre våglängder. Vidare kan djurmodeller med olika hud tjocklekar kräver en annan källa-detektor separation för att optimera djup känslighet. Slutligen gör den hårlösa funktionen algoritmer enklare. Även icke-hårlösa modeller kan vara optimal för vissa frågeställningar, kommer de att kräva hårborttagning innan DOS mätningar och hudirritation från denna process kan påverka resultaten. För forskning där den totala immunförsvar är avgörande, en immun hårlösa mus (t.ex. SKH-1) kan tjäna som en bättre modell på grund av dess eutymiska natur.

ent "> Viktiga överväganden för DOS sondmätningar är konsekvent RT och uppskattning av det bestrålade området. Temperaturväxlingar kan påverka vävnad Hb och STO 2 våningar. Mätning en grupp av 3 icke-bestrålade djur vid varje datainsamling gång kan tjäna som en baslinje till som oavsiktliga miljö fluktuationer i parametervärden kan normaliseras. Dessutom kan det bestrålade området vara svårt att uppskatta (om hudflik förberedelserna var inte konsekvent) innan skador börjar manifestera visuellt runt dag 5 (40 Gy). Om du använder svart märkpenna till dot gränserna för strålnings exponerad hud, undvika överdriven bläck används för att förhindra att bläcket smetas ut, vilket kan äventyra avläsningar.

En extra funktion i systemet är förmågan att skilja absorption från spridningsegenskaper. Medan alternativa hyperspektrala bildsystem ger också möjligheten att övervaka oxyHb och Hb koncentration, den fria rymden geometri hyperspektral avbildning i är oförmögen att lösa spridnings förändringar. Denna begränsning kan leda till felaktigheter i den returnerade oxyHb, Hb och sto 2 parametrar sker betydande förändringar i spridning uppstå på grund av erytem (rodnad). Vidare kan övervakning av spridnings ändringar med DOS ytterligare optiska biomarkörer för erythema utvärdering. Såsom visas i fig 6, de första resultaten från Yohan et al. (2014) visar att A och k uppvisar en tidsmässig trend efter joniserande strålning som inte korrelerar med trender som observerats från andra alternativa metoder, såsom visuell poängsystem. Detta indikerar att spridnings förändringar inte manifesteras i ett visuellt beskrivande sätt och kan i själva verket vara att beskriva en separat biologisk process. Därför jämfört med alternativa metoder, ger DOS en hög upplösning för ytliga spridningsförändringar, en väg för att undersöka nya hudskador biomarkörer som kan vara skild från de vanliga Hb-baserade mätningar.

jove_content "> Även om vår modell utnyttjar en stor enkel stråldos (i stället för flera små fraktionerade doser som används i klinisk miljö), detta härmar patofysiologin för akut mänsklig hud farligheten 21. Det förutses att med ytterligare optimering, kan DOS tillhandahålla en kvantitativ metod för automatiserad och standardiserad poängsättning av strålningsinducerade hudreaktioner. efter mastering denna teknik kan framtida tillämpningar är att övervaka skillnader mellan hud sparande läkemedel (t.ex. jämföra oxyHb nivåer mellan en kontroll och experimentell behandling för hud strålskydd, eller för sårläkning befordran ). Även idealisk för hög genomströmning drogscreening i djurmodeller, är potentiellt anpassas till den kliniska miljön DOS systemet på grund av enkel användbarhet och förmåga att mäta i normala ljusförhållanden. i detta fall kan sonden designen kräver mindre modifieringar med något större optode separationer till svars förden ökade tjockleken av människohud. En klinisk DOS-system skulle göra det möjligt för on-line utvärdering av interventionella behandlingar som kan minimera smärtsamma hudreaktioner och förbättra patientkomfort och efterlevnad. I framtiden kan det vara intressant att utvidga DOS-baserade kvantifiering till funktionerna i kronisk strålningsinducerad hudskada (t.ex. fibros).

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).
Diffus optisk spektroskopi för kvantitativ bedömning av akut joniserande strålning inducerad Skin toxicitet med hjälp av en musmodell
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