Positronen-Emissions-Tomographie-basierte Dosismalerei-Strahlentherapie in einem Glioblastom-Rattenmodell unter Verwendung der Small Animal Radiation Research Platform
Summary
Hier präsentieren wir ein Protokoll zur Durchführung einer präklinischen Positronen-Emissions-Tomographie-basierten Strahlentherapie in einem Ratten-Glioblastom-Modell unter Verwendung von Algorithmen, die intern entwickelt wurden, um die Genauigkeit und Effizienz zu optimieren.
Abstract
Ein Ratten-Glioblastom-Modell zur Nachahmung der Chemo-Strahlenbehandlung des menschlichen Glioblastoms in der Klinik wurde zuvor etabliert. Ähnlich wie bei der klinischen Behandlung wurden Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) während des Behandlungsplanungsprozesses kombiniert. Anschließend wurde die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) hinzugefügt, um die Subvolumenverstärkung mit einem Mikrobestrahlungssystem zu implementieren. Die Kombination von drei Bildgebungsmodalitäten (CT, MRT und PET) mit einem Mikrobestrahlungssystem erwies sich jedoch als arbeitsintensiv, da multimodale Bildgebung, Behandlungsplanung und Dosisabgabe im präklinischen Umfeld sequentiell durchgeführt werden müssen. Dies führt auch zu einem Workflow, der anfälliger für menschliche Fehler ist. Daher wurde ein benutzerfreundlicher Algorithmus zur weiteren Optimierung der präklinischen multimodalen bildgebungsbasierten Strahlenbehandlungsplanung implementiert. Dieses Software-Tool wurde verwendet, um die Genauigkeit und Effizienz der Dosis-Mal-Strahlentherapie mit Mikrobestrahlung unter Verwendung eines In-silico-Studiendesigns zu bewerten. Die neue Methodik für die Dosislackierungs-Strahlentherapie ist der zuvor beschriebenen Methode in Bezug auf Genauigkeit, Zeiteffizienz und Intra- und Inter-User-Variabilität überlegen. Es ist auch ein wichtiger Schritt zur Umsetzung der inversen Behandlungsplanung für Mikrobestrahlungsgeräte, bei denen im Gegensatz zu klinischen Systemen immer noch häufig eine Vorausplanung verwendet wird.
Introduction
Das Glioblastom (GB) ist ein bösartiger und sehr aggressiver primärer Hirntumor. GB ist ein solider heterogener Tumor, der typischerweise durch infiltrative Grenzen, Kernatypie und Nekrose gekennzeichnet ist1. Das Vorhandensein der Blut-Hirn-Schranke und der Status des Gehirns als immunprivilegierter Ort machen die Entdeckung neuer Ziele für die Chemo- und Immuntherapie zu einer gewaltigen Aufgabe2,3,4. Es ist bemerkenswert, dass sich die Behandlung von GB-Patienten seit der Einführung des Stupp-Protokolls im Jahr 2005, das die externe Strahlentherapie (RT) mit begleitendem Temozolomid kombiniert, kaum verändert hat, in der Regel gefolgt von adjuvantem Temozolomid5. Typischerweise geht dem Stupp-Protokoll eine maximale chirurgische Resektion voraus. Daher sind alternative Behandlungsansätze von zentraler Bedeutung.
Die aktuelle Strahlentherapie für Glioblastom-Patienten liefert eine gleichmäßige Strahlendosis auf das definierte Tumorvolumen. In der Radioonkologie gibt es eine wichtige Dosis-Wirkungs-Korrelation für das Glioblastom mit steigender Dosis, die aufgrund der erhöhten Toxizität für das normale Gehirn etwa 60 Gy zu begrenzen scheint6,7. Tumore können jedoch sehr (radiobiologisch) heterogen sein, mit Gradienten des Sauerstoffgehalts und/oder großen Unterschieden in der Zelldichte. Metabolische Bildgebungstechniken wie PET können diese biologischen Merkmale visualisieren und können verwendet werden, um die Dosisverschreibung anzupassen. Dieser Ansatz wird als Dose Painting RT bezeichnet. Dieser Begriff wurde im Jahr 2000 von Ling et al. eingeführt. Die Autoren definierten Dosismalerei RT als “exquisit konforme Dosisverteilungen innerhalb der Grenzen der Strahlungsausbreitung und -streuung”8.
Es gibt zwei Arten von Dosismalerei RT, Dosismalerei durch Konturen (DPBC), bei der eine Dosis an eine Reihe von verschachtelten Teilvolumina verschrieben wird, und Dosismalerei nach Zahlen (DPBN), wobei eine Dosis auf Voxelebene verschrieben wird. Die Dosisverteilung für DPBN RT kann aus funktionellen Bildern extrahiert werden. Die Dosis in jedem Voxel wird durch die Intensität I des entsprechenden Voxels im Bild mit einer unteren und oberen Grenze bestimmt, um sicherzustellen, dass einerseits eine ausreichende Dosis an jeden Teil des Tumors abgegeben wird. Auf der anderen Seite überschreiten die Dosen nicht eine Obergrenze, um gefährdete Organe zu schützen und Toxizität zu vermeiden. Die einfachste Methode ist eine lineare Interpolation (siehe Gleichung 1) zwischen der minimalen Dosis Dmin und der maximalen Dosis Dmax, proportional variierend zwischen der minimalen Intensität Imax und der maximalen Intensität innerhalb des Zielvolumens9,10
Gl. 1
Da es eine gewisse Skepsis gegenüber der Qualitätssicherung von DPBN RT gibt, sollte die Ablagerung der Dosis durch präklinische und klinische Forschung verifiziert werden10. Es können jedoch nur begrenzte Daten aus klinischen Studien gewonnen werden, und es wurde die Hypothese aufgestellt, dass durch das Herunterskalieren auf Labortiere mehr Erkenntnisse gewonnen werden können11,12. Präklinische Studien, die präzisionsbildgeführte Strahlungsforschungsplattformen verwenden, die eine Kopplung mit einigen sehr spezifischen Techniken wie der Autoradiographie ermöglichen, eignen sich daher, um offene Fragen zu untersuchen und den Weg zu personalisierter Medizin und neuartigen Behandlungsstrategien wie Dosislackierung zu ebnen RT13,14. Die Interpretation präklinischer Daten muss jedoch mit Vorsicht erfolgen, und die Nachteile dieser präklinischen Aufbauten müssen berücksichtigt werden14.
Mikrobestrahlungssysteme wie die Small Animal Radiation Research Platform (SARRP) sind mit ähnlichen Technologien ausgestattet wie ihr klinisches Gegenstück. Dazu gehören die On-Board-Kone-Beam-CT (CBCT), ein präklinisches Behandlungsplanungssystem (PCTPS) und eine Präzision im Submillimeterbereich. Klinische Dosisberechnungen werden durch inverse Behandlungsplanung durchgeführt, wobei man aus der gewünschten Dosisverteilung heraus die Strahlen über einen iterativen Algorithmus bestimmt. Präklinische Bestrahlungsgeräte verwenden oft eine Vorausplanung. In der Vorausplanung werden die benötigte Menge und der Winkel der Strahlen ausgewählt und der PCTPS berechnet dann die Dosisverteilung. Die Optimierung der Pläne erfolgt durch manuelle Iteration, die arbeitsintensiv ist15.
Nach 2009 haben neuartige Entwicklungen die Umsetzung der inversen Planung auf diesen Forschungsplattformen ermöglicht16,17,18. Um die Ähnlichkeit mit der klinischen Methode zu erhöhen, wurde ein motorisierter variabler Rechteckiger Kollimator (MVC) als präklinisches Gegenstück zum Mehrblattkollimator entwickelt. Eine zweidimensionale Dosismalmethode unter Verwendung eines variablen Kollimators wurde von Cho et al.19 veröffentlicht. Diese Forschungsgruppe implementierte ein dreidimensionales (3D) inverses Behandlungsplanungsprotokoll auf einem Mikrobestrahlungsgerät und bestimmte minimale und maximale Dosen für das Zielvolumen und eine maximale Dosis für die gefährdeten Organe. Diese Techniken wurden hauptsächlich in silico evaluiert, und ihre präklinischen Anwendungen müssen erforscht werden.
Dieser Artikel stellt eine In-silico-Studie vor, um zwei Methoden für [18F]-Fluor-Ethyl-L-Tyrosin ([18F]FET) PET-basierte Dosislackierung in einem GB-Rattenmodell zu vergleichen20,21,22 unter Verwendung einer Kleintierstrahlungsforschungsplattform. Diese beiden Methoden sind (1) Subvolumenverstärkung mit vordefinierten Strahlgrößen und (2) Dosislackierung mit einem motorisierten variablen Kollimator, bei dem die Kieferabmessungen basierend auf der PET-Traceraufnahme im Tumorvolumen modifiziert werden. [18F] FET ist ein PET-Tracer, der aufgrund seiner Fähigkeit, Hirntumore zu erkennen, häufig in der Neuroonkologie verwendet wird23. [18F] FET ist eine künstliche Aminosäure, die in Tumorzellen verinnerlicht, aber nicht in Zellproteine eingebaut wird. [18F] Die FET-Aufnahme entspricht der Zellproliferationsrate, der Tumorzelldichte und der Angiogenese24. Da dies der am häufigsten verwendete onkologische Gehirn-PET-Tracer im Institut dieser Autoren ist, wurde dieser Radiotracer ausgewählt, um den neuen Workflow zu bewerten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zuvor wurde ein RATTEN-GB-Modell zur Nachahmung der Chemotherapie in der Klinik für Glioblastom-Patienten beschrieben20. Ähnlich wie bei der klinischen Methode wurden CT und MRT während des Behandlungsplanungsprozesses kombiniert, um eine präzisere Bestrahlung zu erhalten. Ein multimodales Bett zur Minimierung der (Kopf-) Bewegung wurde verwendet, wenn das Tier von einem Bildgebungssystem zum anderen bewegt wurde. Anschließend wurde die PET-Bildgebung in den Behandlungsplanungsprozess aufgeno…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken der Lux Luka Foundation für die Unterstützung dieser Arbeit.
Materials
| Cell culture | |||
| F98 Glioblastoma Cell Line | ATCC | CRL-2397 | https://www.lgcstandards-atcc.org/products/all/CRL-2397 |
| Dulbeco's Modified Eagle Medium | Thermo Fisher Scientific | 22320-030 | |
| Cell culture flasks | Thermo Fisher Scientific | 178883 | 75 cm² |
| FBS | Thermo Fisher Scientific | 10270106 | |
| L-Glutamine | Thermo Fisher Scientific | 25030-032 | 200 mM |
| Penicilline-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-148 | 10,000 U/mL |
| Phosphate-Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 14040-224 | |
| Trypsin-EDTA | Thermo Fisher Scientific | 25300-062 | 0.05% |
| GB Rat Model | |||
| Ball-shaped burr | Foredom | A-228 | 1.8 mm |
| Bone Wax | Aesculap | 1029754 | https://www.aesculapusa.com/en/healthcare-professionals/or-solutions/or-solutions-cranial-closure/hemostatic-bone-wax.html |
| Ethilon | Ethicon | 662G/662H | FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm |
| Fischer F344/Ico crl Rats | Charles River | – | |
| Insulin Syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29 G |
| IR Lamp | Philips | HP3616/01 | |
| Meloxicam (Metacam) | Boehringer Ingelheim | – | 2 mg/mL |
| Micromotor rotary tool | Foredom | K.1090-22 | |
| Micropump system | Stoelting Co. | 53312 | Stoelting Stereotaxic Injector |
| Stereotactic frame | Stoelting Co. | 51600 | |
| Xylocaine (1%, with adrenaline 1:200,000) | Aspen | – | 1%, with adrenaline 1:200,000 |
| Xylocaine gel (2%) | Aspen | – | 2% |
| Animal Irradiation | |||
| Micro-irradiator | X-Strahl | SARRP | Version 4.2.0 |
| Software | X-Strahl | Muriplan | Preclinical treatment planning system (PCTPC), version 2.2.2 |
| Small Animal PET | |||
| [18F]FET | Inhouse made | – | PET tracer; along with Prohance: MRI/PET agent |
| Micro-PET | Molecubes | Beta-Cube | https://www.molecubes.com/b-cube/ |
| Small Animal MRI | |||
| Micro-MRI | Bruker Biospin | Pharmascan 70/16 | https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan.html |
| 30 G Needle for IV injection | Beckton-Dickinson | 305128 | |
| PE 10 Tubing | Instech Laboratories Inc | BTPE-10 | BTPE-10, polyethylene tubing 0.011 x 0.024 in (0.28 x 60 mm), non sterile, 30 m (98 ft) spool, Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA- (800) 443-4227- http://www.instechlabs.com |
| Prohance contrast agent | Bracco Imaging | – | 279.3 mg/mL, gadolinium-contrast agent (along with [18F]FET: MRI/PET agent) |
| Tx/Rx Rat Brain – Mouse Whole Body Volumecoil | Bruker Biospin | – | 40 mm diameter |
| Water-based Heating Unit | Bruker Biospin | MT0125 | |
| Consumables | |||
| Isoflurane | Zoetis | B506 | Anesthesia |
| Insulin Syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29 G |
| Image Analysis | |||
| MATLAB | Mathworks | – | Version R2019b |
| PMOD | PMOD technologies LLC | Preclinical and molecular imaging software |
References
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