Method Article

Bir fare Modeli Kullanılarak Akut Radyasyondan Bağlı Cilt zehirlilik Kantitatif Değerlendirme optik tayf Diffüz

DOI:

10.3791/53573

⸱

May 27th, 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Radiation Oncology, University of Toronto, 2Department of Physics, Ryerson University, 3Department of Medical Biophysics, University of Toronto, 4Ontario Cancer Institute / Campbell Family Institute for Cancer Research

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Radyasyona cilt yanıtının kantitatif optik biyobelirteçlerini sağlayan yaygın bir optik spektroskopik (DOS) yaklaşım sunuyoruz. DOS enstrümantasyon tasarımını, optik parametre ekstraksiyon algoritmalarını ve radyasyona bağlı eritemin klinik öncesi fare modelinden temsili veriler elde etmek için gereken hayvan işleme prosedürlerini açıklıyoruz.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

İyonlaştırıcı radyasyondan (IR) kaynaklanan akut cilt toksisiteleri, eksternal ışın radyasyon tedavisinin (RT) terapötik kurslarının yaygın bir yan etkisidir ve hastanın yaşam kalitesini ve uzun süreli sağkalımını olumsuz etkiler. Normal doku toksisiteleri ile ilişkili biyolojik yolakların anlaşılmasındaki ilerlemeler, girişimsel ilaçların geliştirilmesine izin vermiştir, ancak mevcut yanıt çalışmaları, cilt reaksiyonlarının şiddetini değerlendirmek için kantitatif ölçümlerin eksikliği ile sınırlıdır. Burada, radyasyona cilt yanıtının kantitatif optik biyobelirteçlerini sağlayan yaygın bir optik spektroskopik (DOS) yaklaşım sunuyoruz. DOS sisteminin enstrümantasyon tasarımını ve optik parametreleri çıkarmak için ters çevirme algoritmasını açıklıyoruz. Son olarak, klinik faydayı göstermek için, radyasyona bağlı eritemin klinik öncesi bir fare modelinden temsili veriler sunuyoruz ve sonuçları yaygın olarak kullanılan bir görsel puanlama ile karşılaştırıyoruz. Tarif edilen DOS yöntemi, klinik ortama çevrilebilen fonksiyonel yanıt yoluyla cilt toksisitesinin objektif, yüksek verimli bir değerlendirmesini sunar.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aynı anda, normal çevre yapıları korunurken, radyoterapi (RT) planlama ve teslimat Teknolojik gelişmeler artık, tümör bölgeye ulaştırılmak üzere son derece konformal terapötik dozlarda için izin verir. Yüksek doz, hedef cilde yakın olduğunda Yine, akut ve bazen ciddi toksisiteler kaçınılmazdır. Şiddetli yeterince, elde edilen normal doku hasarı olumsuz RT tedavi sonucunu ve yaşam 1,2 hastanın kalitesini etkileyebilir.

zararlı sonuçlarına rağmen radyasyon cilt eritem mevcut yönetim hasarına yol açan altta yatan biyolojik mekanizmaları göz ardı krem ​​veya merhem istihdam nonspesifik kalır. Bu yaklaşımlar neden yerine belirtileri en aza dayanmaktadır. Ayrıca, girişimsel tedavilerin zamanlaması ve yönetim radyasyon cilt hasarı değerlendirmesi kalitatif ve subjektif doğa tarafından karmaşıktır. Birkaç tanınan sürekuruluşlar (RTOG, EORTC) görsel derecelendirme önerilerde bulunmak, kurumlar ve böylece meta-analizlerde amacıyla normal doku toksisite karşılaştırmalar örtücü, tercih edilen puanlama kendi seçtikleri değişir. Dahası, bu tür derecelendirme sistemi radyasyon hasarına farklılıklar toksisite azaltma stratejileri değerlendirmek çalışmalarda indiscernible olabilir, öyle ki, ham ve gözlemciler arası değişkenliği yatkındır.

Aksine görsel ışınlanmış deride eritem derecesini açıklayan yerine, alternatif bir yaklaşım nicelik organda meydana gelen altta yatan fizyolojik değişiklikler açıklanmaktadır parametreleri ölçmek için olduğunu. Kan hemoglobin (Hb), doku oksijen doygunluğu (STO 2) ya da oksijenli hemoglobin (oxyHb) düzeyleri fareler 3-6 ışınlama kaynaklı eritem için vekiller olarak kullanılmıştır. Işınlama ardından, toplam Hb düzeyleri dalgalanmalar tabi ama oxyHb veya STO 2 tarafından izlenen bir karakteristik erken keskin bir artış, tabisonbahar ve başka daha kalıcı yükseliş 3,6. Tahriş edici edince deride kızartı ikna etmek için kullanıldığı zaman, damar oxyHb seviyeleri doğrudan yerel eritem ve inflamasyon 7 şiddeti ile ilişkili.

Optik spektroskopi Diffüz (DOS) hayati dokular bileşenlerinin biyokimyasal ve mikro parçaları üzerinde fonksiyonel bilgi sağlamak için yakın kızıl ötesi ışık kullanır. Bu nicel, non-invaziv optik teknoloji Hb konsantrasyonu ve STO 2 fonksiyonel suretler üzerinden eritem sırasında meydana gelen kan damarlarında sitokin kaynaklı vazodilatasyon ölçmek için bir yöntem sunar. Kontrollü klinik skorlama yönteminin 8-11 DOS ölçülen parametrelerin karşılaştıran son çalışmalar, mevcut derecelendirme doğasında sınırlamalarının üstesinden gelmek için teknik potansiyeline işaret etmektedir sistem.

Burada kantitatif dete için fonksiyonel temsilciler istihdam bir in-house, taşınabilir, DOS sistemi tarifBir ön-klinik fare modelinde 5 radyasyon ile indüklenmiş deri toksisitesi cting farklar. açıklanan bir platform erken teşhis ve girişimsel ilaç yanıtının ince farklılaşması için yüksek hassasiyet ile standart eritem puanlama bir araç sağlayabilir. Ayrıca, sadece küçük uyarlamalarla, alet sonunda gerçek zamanlı başucu izlenmesi için klinik olarak kullanılabilir.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aşağıdaki yöntemler Sunnybrook Araştırma Enstitüsü Hayvan Bakım Etik Kurul kurallarına uygun olarak bulunmaktadır.

1. Diffüz Yansıtma Spektroskopisi Sistemi

  1. Daha önce tarif edilmiş olan bir el tipi, fiber-optik prob ve taşınabilir spektroskopik sağlama sistemi (Kim ve ark., 2010) kullanılarak dağınık yansıtıcılık spektrumları toplayın ve kısa bir süre için eksiksiz 1,2, Şekil 1 '(ve ilgili başlıklar)' de gözden geçirilmiştir.

Akut Radyasyon Cilt Hasarı Fare Modeli 2. Hazırlık

  1. ve onları deneyler başlamadan önce bir hafta boyunca hayvan barınağında gelmesini bekleyin (örneğin atimik veya SKH-1 tercihen tüysüz,) Sipariş 6 haftalık fareler. Rezerv en az 3 olmayan bir ışınlanmış kontrol grubu için fare ve ışınlanmış bir grup için 5 fareler.
  2. başlangıç ​​DOS ölçümleri ve ışınlama öncesi, kulak yumruklar ya da kalıcı işaretleyici m kullanarak fareler etiketkuyruk arkings. Fareler çıplak değilseniz, yan cilt 2 cm yama ile 2 cm tüylerden, ancak bu cilt tahrişine neden olabilir.

3. Diffüz Optik Spektroskopi Veri Toplama

  1. elektronik güç kaynağı açın.
  2. Fare cilt için, boxcar filtre genişliği toplama süre 25 msn, sinyal ortalamalar için 25 ve 1 yazarak toplama yazılımı sinyal parametrelerini ayarlamak. Bu parametreler gürültüye satın alma süresi ve sinyal arasında makul bir denge sunuyor.
  3. Özel programlanmış satın alma yazılımı kullanarak, otomatik olarak, iki kaynak detektör ayırma mesafelerde bir arka plan okuma, R bg (LED kapalı) ve yaygın yansıma kazanmak "Acquire" butonuna tıklayarak R ölçümü (260 mikron, 520 mikron). toplam satın alma zamanı ~ 2 sn.
  4. ölçümler yapmadan önce oda ışık anahtarı basarak tüm floresan oda ışıkları kapatın.
    NOT: Fluorescent oda ışığı (bu ışıklar zamanla değişen ışık yoğunluğunu üretmek ve böylece bir arka plan sinyali olarak çıkarmak zordur) tespit sinyale parazit. Kullanılabilecek akkor ampuller yüksek arka plan düzeyleri (ve gürültü zayıf sinyal) önlemek için DOS prob bir mesafede ışık tutmak rağmen.

4. Hayvan Anestezi ve Temel DOS Ölçümleri

  1. Tüm bağlantıları sağlam ve likit izofluran seviyesi yeterli olduğunu olmasını sağlayarak anestezi makinesi hazırlayın. DOS prob rahat ulaşılabilecek bir sterilize, usulca yastıklı yüzeyi aşağı bantlanmış olabilir ekli tüp ve burun konisi ile bir anestezi indüksiyon odasına kullanın.
  2. 30 saniye için% 4 izofluran ile uyararak indüksiyon odasında bir anda farelerin bir kafes anestezi uygulayın. Sonraki 2 dakika süreyle% 2 izofluran miktarı indirin. Fare arka bacak bir ayak kısma hiçbir yanıt gözlemleyerek anestezi olduğundan emin olun.
  3. hızlaKendi tarafına yerleştirin, sterilize DOS sondalama alana bir fareyi hareket burun konisi içine burun tutturmak ve anestezi (% 2 izofluran) akışına burun konisi boru açın.
    NOT: Prosedür uzun 1'den sürerse - 2 dakika, kuruluğunu önlemek için gözleri veteriner merhem uygulayın.
  4. Fare cilt ölçümleri almadan önce,% 70 etanol ile silerek prob sterilize edin. Cildi sterilize etmeyin.
  5. Yerel damarsal dağıtıcı önlemek için emin böğür cilt üzerinde hafifçe probu yerleştirin. ölçüm süresi için elle sonda tutun.
  6. Bir kalıp üzerinde 5 nokta oluşumunu takip ederek 2 cm (ışınlanmış edilecek bölge) tarafından yaklaşık 2 cm'lik bir kanadını deri alanını sondalama ile yansıma veri elde. sonraki tüm ölçümler için tutarlı bu sondalama desen, alan, sonda basıncı ve vücut tarafı (sağ veya sol) tutun.
    NOT: Tüm tarama yaklaşık 60 sn sürer. Sonda basıncı l dağıtma olmadan bir tarama elde etmek için yeterli olmalıocal damar.
  7. Bir kurtarma kafesin içine fareyi hareket ettirin ve DOS sondalama alanının yanındaki fareyi üzerine getirin. Tüm fareler ölçülmüştür kadar 4.6 - Tekrar 4.2 adımları. sternal yatma korumak için yeterli bilinci yerine kadar gözetimsiz bir hayvan bırakmayın.

5. Hayvan ışınlama

NOT: Bu protokol bir irradiator kullanımını gerektirir, ve hayvan hazırlık ışınlayıcı cihazının ihtiyaçlarını karşılamak için ayarlanması gerekebilir. Işınlama sırasında yan derinin yalnızca küçük bir alanda radyasyon ışınına maruz olmalıdır. ışınlayıcı steril bir tesiste yer almalıdır ve steril konut alanına fareler dönerken uygun kafes sterilizasyon dikkat edilmelidir.

  1. (- 4.2 adımlarda 4.1 gibi) ve ışınlama için hazırlamadan önce indüksiyon odasında bir defada bir fare uyuşturan anestezi makinesi hazırlayın.
  2. indüksiyon odasından, gen fare kaldırmaktly bir flep oluşturulması üzerinde ve gergin cilt altında yan deri ve yer bandı tutam.
  3. pleksiglas sahneye fare koyun ve özel bir kurşun jig ile vücudu kaplar (bir çalışma dizayn kanat deri yoluyla çekilecek izin veren bir yan pencere ile birlikte, alt dikdörtgen bir kutu ve en az bir ucu açık). jig pencereden flep çekin ve yavaşça sahneye kanadı bantlayın.
    NOT: Özel kurşun jig fare hareketsiz kadar küçüktür. Özel bir jig tam fare hareketsiz değil ise, o zaman, ek kısıtlayıcılara kullanımı ve / veya ketamin yönetmek (80-100 mg / kg) - tüm ışınlama boyunca hareketsiz kılınmış fare tutmak için intraperitonal enjeksiyon yoluyla (12.5 mg / kg 10) ve ksilazin prosedür.
  4. irradiator içine jig ve fare ile pleksiglas sahne yerleştirin. (Istenilen dozu ayarlarını (x-ışını kaynağı, gerilim, süre ve amper cilt mesafesi) belirleyin ve teslim örneğin, 160 kVp x- 11 cmışını 6.3 mA ile 2.5 dakika boyunca kaynak).
    NOT: yanıkları ve DNA hasarı önlemek için makine kullanım yönergeleri izleyerek x-ışını kaynağı ile DİKKAT kullanın.
    NOT: Atimik çıplak fareler 14 gün 35 Gy cevaben radyasyon sonrası etrafında nemli deskuamasyon geliştirmek, ancak 17 Gy ile sadece küçük yamalı deskuamasyon.
  5. , Irradiator dışarı aparatı ve fare alın ekranlama kaldırmak, bandı çıkarın ve bireysel kurtarma kafesine yerleştirin. anestezi kurtarıldı sonra normal paylaşılan kafes fare dönün. Tekrarlayın 5.2 adımları - tüm fareler için 5.4 ve kontrol fareler üzerinde sahte işlemini gerçekleştirin.
  6. Işınlama sonra, düzenli koşullarda hayvanlar ev. Anormal davranışlar (ağrı delalet olabilir, örneğin, kambur duruş) oluşursa, sorunu teşhis etmek için bir veterinere danışın. Ağrı azaltılması kg buprenorfin subkutan ya da veteriner tarafından yönetilen 0.1 mg / uygulanmasını içerebilir. kilo kaybı, normal b% 20 aşarsaody kitle, evin ayrı ayrı kendi kafeste ve yüksek besin yiyecek sağlamak.

6. Takip DOS Ölçümleri

  1. Monitör ve kantitatif DOS tekniğini kullanarak cilt reaksiyonu yoğunluğunu ölçmek. Işınlama 3,4 izleyen 12 gün - cilt değişiklikleri ve önceki çalışmaların görsel denetim DOS parametrelerinde büyük değişiklikler 6 civarında (başlangıca göre) beklenen düşündürmektedir. kayda değer değişiklikler modele bağlı olarak daha erken ya da geç yerini alabilir çünkü Ancak, diğer ölçüm süresi noktaları araştırmak için yararlı olabilir.
  2. DOS ekipman ve bölüm 4'te açıklandığı gibi anestezi makinası ve DOS ölçümleri elde 3.Prepare bölümünde açıklandığı gibi kalibrasyon ayarlayın.

7. Sonrası edinme İşleme

NOT: Aşağıdaki bölümde tüm adımlar, yüksek performanslı yazılım ortamında oluşturulan özel bir program kullanılarak yapılmaktadır. Standart adlandırma manastırHer spektral edinme dosyası için iyonlar toplu işlem için izin istihdam edilmektedir. Tüm adımlar, Şekil 2'de gösterilmiştir.

  1. Arka plan okuma da dahil olmak üzere tüm ölçülen spektrumları çizgisinin (gürültü kat) çıkarın.
  2. Ölçüm spektrumunun R Ölçüm gelen Adım 3.3 elde edilen arka plan okuma, R bg (LED kapalı), çıkarın.
    Not: Bu makalenin geri kalanında tüm spektrumları gürültü zemin ve arka plan çıkarılır ve R Düzeltici olarak anılacaktır olduğu varsayılmaktadır.
  3. Bölüm 1 'de referans 1,2 de tarif edildiği gibi, tam yansıtma, R Ab R Corr dönüştürün.
    1. Göreceli yansıma ölçümleri elde, Rrel, Intralipid-% 20 fantomlarda (Fresenius Kabi, İsveç)% 48 kadar% 3 kısım kesirler artan Hayaletler (yani,% 3,% 6,% 9, ...,% 48) ve Intralipid konsantrasyonuna karşı Rrel grafiğinin oluşturun.
    2. & Karşı R abs mutlak arsa üretmek# 956; s 'yansıtma difüzyon denklemini kullanarak 14.
    3. Her iki eğrinin tepe maç ve R abs x eksenini maç Rrel x eksenini ayarlayın.
    4. Belirli bir dalga boyu ve kaynak dedektör ayırma at kullanılarak y-eksenini ölçek:
      figure-protocol-1
      Not: Aşağıdaki bölümde, ölçümlerin tüm uydurma R abs sevk edecektir.

8. Spektral Verileri Montaj

NOT: Aşağıdaki bölüm fareler cilt fonksiyonel parametrelerini almak için kullanılan teori ve uydurma algoritması özetliyor. Kullanılan tüm teori için, burada aşağıdaki makalelerde 14-18 ve referanslara bakın. Tüm denklemler (önceden programlanmış modülleri içeren) bir üst düzey bilimsel yazılım ortamında yaygın fizik veya mühendislik laboratuarlarında kullanılan programlanabilir varsayılır.

  1. a tanımlayan bir işlev Programbsorption spektrumu, ilgi denklem kullanılarak spektral aralıkta, ilgili tek tek kromoforlar toplamı olarak bir deri (l) u:
    figure-protocol-2
    STO 2 0 ile 1 arasında değişen unitless oksijen doygunluğu ise burada, H b toplam hemoglobin konsantrasyonu (g / L) 'dir.
  2. oksi elde, figure-protocol-3 Ve deoksi figure-protocol-4 , Prahl 19 on-line koleksiyonundan (metin dosyaları olarak depolanır) hemoglobin spektrumları.
  3. Cildin saçılma spektrumunu tanımlayan bir işlev Program figure-protocol-5 A (cm-1) λ o = 1 nm ve k μ s 'değeri bir güç yasası bağımlılığı kullanan bir orta bağımlı güç faktörü16.
  4. Program Adımları 8.2 spektral denklemler dahil referans 14 denklemlerine dayanan yaygın yansıtma ileri modeli için bir matematiksel fonksiyon - ileri modeli fonksiyonu (içine 8.3, yani R (r, a (λ), 's u (l u )) R (burada R, H, b, STO 2, A, K) =.
    NOT: Çeşitli modeller bulunmakla birlikte, kararlı durum difüzyon teorisi denklemi dokusunda ışık dağılımı basit ve doğru bir açıklama sağlar.
  5. Program o kareler Bölüm 8.4 ileri modellenmiş yansıma spektrumları arasındaki fark ve ölçülen yansıtma spektrumları bir işlev.
  6. Iteratif 8.5 küçüğüdür Bölüm en küçük kareler fark fonksiyonu kadar H b, STO 2, A, ve k değiştirin. MatLab'ın lsqcurvefit otomatik olarak bu adımı gerçekleştirmek için kullanılabilir.
  7. Repeaölçülen tüm yansıtma veri setleri için (H b STO 2, A ve k) DOS parametrelerini elde etmek için 8.6 - t 8.5 adımları.
  8. 5 normalize sonda nokta ölçümlerinin - 3 her fare setinin ortalaması kullanılarak karşılık gelen benzersiz bazal ölçümü ile DOS parametresinde göreceli değişiklik çizilir. Bu araziler MatLab'ın arsa komutunu kullanarak oluşturulur.

9. Görsel Radyasyon Dermatit Puanlama Dönemi

  1. Monitör ve nitel derecelendirme ölçeği kullanılarak deri reaksiyonu yoğunluğunu puan ışınlama sonrası her 48 saat (- 24 saat aşağıdaki ışınlama bir de değişiklikler 3 gözlemlemek olabilir) (Douglas ve Fowler derecelendirme ölçeği 20). İki kör araştırmacılar idealdir. Bir el kamera ve referans ölçek (yani, cetvel) ile fotoğraf Kazanılması değerlendirmeler ile yardımcı olabilir.
  2. NOT: Her iki gün ışınlama sonrası cildi Puanlama fo optimum DOS ölçüm sürelerini belirlemek yardımcı olabilirmodeli r. Daha sık puanlama modeli ve araştırma sorusu bağlı olarak önemli verileri verebilir.
  3. her bir zaman noktasında her bir grubun medyan çizilir. Belirli zaman noktalarında veya her eğri altındaki ortalama genel alanlarda gruplarını karşılaştırmak.
  4. Fareler istenen cilt iyileşmesi noktasında (örneğin, 4 hafta) kadar takip edildikten sonra, uygun bir (onaylı) yöntemi ile fareler euthanize.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

DOS yansıma tekniği radyasyonun neden olduğu cilt toksisitesi değerlendiren geleneksel nitel yöntemlere objektif bir alternatif sunuyor. ölçülen yansıtma spektrumları büyüklüğü ve şekli, hem de değişiklikler olarak mevcut radyasyonun zehirli dozları takiben cilt görünümü görsel olarak değişir. Her ikisi de altta yatan hücresel mikro ve fizyolojik doku devlet fonksiyonel değişikliklerle ilgilidir. Bu bölümde, Yohan ve ark., 2014 5 tarafından daha önce yayınlanan iş temsilcisi sonuçları gözden geçirilmiştir.

Şekil 3 (solda) temsilcisi spektrumları (ince mavi çizgiler) göstermek 6 gün 40 Gy radyasyon sonrası ciltte eritem bir atimik fare modelinde 260 mikron kaynak ayırma ölçülen. Işınlama öncesi (Şekil 3, sağ panel) ile karşılaştırıldığında, ~ 550-650 nm spektral şeklindeki farklar lik gözleniroksijenli hemoglobin artışa ely nedeniyle. Mutlak yansıtma küçük bir artış, doku yayılma gücünde bir artış ile korelasyon olduğu görülmektedir. gün 6 Aşağıdaki ışınlama üzerinde gözlenen spektrumları 0,75 görsel cilt puanına korelasyon.

seçme dalga boylarında sonrası ışınlama yansıma değişikliklerin bir değerlendirme tam yansıma spektrumunun faydalanmak ve aynı zamanda gürültü duyarlılığı olası sorunu taşır değildir. Ancak, tam spektrum uydurma sezgisel optik biyomarkerların (H b STO 2) çevrilmek üzere ayarlanmış tüm verileri sağlar. 3 sunulan denklemler kullanılarak ölçülen verilerin ortaya çıkan krizleri (katı yeşil hat) (ince gürültülü çizgi) göstermek Şekil Bölüm 4. Mükemmel anlaşma temeli kromofodannın seçimi ve saçılma şekli yeterince fare derisi modeli tarif olduğunu teyit görülmektedir.

Şekil 4 deride göreli değişiklikleri gösterir Işınlanan fare kohortunda çeşitli zaman noktalarında (6, 9, 12 gün) STO 2 (n = 8) Şekil 5, mukabil niteliksel deri reaksiyonu puanları gösterirken. STO 2 ilerleyici bir artış ışınlama öncesi 3 gün boyunca değerler (p <0.05) ile karşılaştırıldığında istatistiksel olarak farklı olduğu görülmektedir. Bu eğilimler cilt hasarı şiddeti gün 12 o tepe (ortalama puanı ~ 3) görsel bir puanlama vekili olarak STO 2 potansiyelini gösteren (Şekil 5) görsel gözlenen artışlar ayna.

Istatistiksel olarak anlamlı bir değişiklik için geri optik biyomarkerların herhangi görüldü unutulmamalıdırölçülen 12 gün boyunca, kontrol grubu (n = 3) ışınlanmamış (veriler gösterilmemiştir). A ve K değişiklikler de zaman (Şekil 6) üzerinde izlenebilir ve bu cilt saçılım özellikleri radyasyona karşılık olarak değişmekte olduğunu gösterir.

figure-results-1
1. DOS enstrümantasyon Şekil. Dağınık yansıtıcılık ölçümü geometri (A) şematik (B), fiber optik prob. Optik sensör 18 G, metal iğne içine birlikte ve birbirinden 260 mm aralıklıdır 200 um'lik bir çekirdek optik fiber arasındaki bir doğrusal dizi oluşur. Bir algılama fiber optik spektrometreye bağlıyken, iki kaynak elyaflar iki genişband ışık yayan diyotlar kuple edilir. sırayla kaynakların her açarak, spektrometre 260 mikron mesafelerde yaygın yansıma toplayabilir veKaynak liflerin her birinden 520 mikron (C) dizüstü bilgisayar da dahil olmak üzere komple DOS sistem, ekli fiber optik prob ve optik kutusu:. Otomatik veri toplama programı spektrumları ardışık toplama sürmek için kullanılır. Elektronik SMA konnektörler ile fiber optik prob bağlayan bir kazanım kutusuna yerleştirilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-2
.. Şekil 2 spektral işleme Tüm x ekseni ölçekleri nm şunlardır: (A) Ham göreceli spektrumları, bazal okuma yaklaşık 900 arasındadır - 1000 nm ve arka plan sinyali yaklaşık olarak eşit (B) Bağıl arka plan okuma (C.. ) Arka plan ve temel göreli s çıkarılır pectra. (D) Kesinlikle (C) 'de gösterildiği işlenmiş spektrumlarının ölçeklendirme aşağıdaki spektrumunu kalibre. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-3
(Solda) ışınlanmış olmayan ve ışınlanmış (sağ) fare derisi 6 gün Şekil 3. Tipik beyaz ışık yansıtma spektrumları ışınlama sonrası. Ölçüm (mavi gürültülü) ve uyuyor (katı yeşil), tipik olarak gözlendi arasında mükemmel bir anlaşma. İki önemli farklılıklar iki grup arasında görüldü: Mutlak yansıtma 1) genel bir artış ile 550 arasında spektral şekil 2) farklı bir değişim - 600 nm. Yohan ve ark., 2014 5 izni ile.> Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-4
40 Gy ışınlama aşağıdaki fare deri oksijenasyon fraksiyonunda Şekil 4. değiştirin. İki grup arasındaki temel normalize ortalama fark (fare başına) Gün 6 (Kutu 1), 9 (Kutu 2) ve 12 (Kutu 3 için önemli olan ). Yohan ve ark., 2014 5 izni ile. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-5
40 Gy günlük bir fonksiyonu olarak Şekil 5. Ortalama niteliksel deri reaksiyonları puanları (n = 8) farelerinin, deri ışınlanmış. Yohan ve ark., 2014 5 uyarlanmıştır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-6
40 Gy Günleri 6 ışınlama (Kutu 1), 9 (Kutu 2) ve 12 (Kutu 3) A (sol taraf). Değişim ve k (sağ taraf) Aşağıdaki Şekil 6. Bağıl A değişiklikler ve fare deri k Gün 6 (Kutu 1, sağ ve sol tarafta) üzerinde önemli (p <0.026) olarak bulunmuştur. Yohan ve ark., 2014 5 izni ile. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

kantitatif optik biyomarkerlar kullanarak radyasyon cilt toksisiteleri değerlendirmek için bir DOS yaklaşım sunulmuştur. Görsel cilt toksisitesi skorlama sistemleri uzman eğitim gerektiren ve daha sonra gözlemciler arası değişkenliği ve öznellik yatkındır. DOS sistem ve analiz yazılımı, kullanımı kolaydır az eğitim gerektirir ve ciltte fizyolojik değişiklikler yorumlamak için objektif fonksiyonel parametreleri döndürür. Ayrıca, yerine tek bir parametre olarak bir cilt lezyonu görünümünü anlatan, DOS spektral şekil, optik özellikleri ve duyarlılık ve güncel kalitatif bir skorlama yöntemleri mevcut değil özgüllük bir katma derecesi işlevsel / mikro parametrelerde bilgilerin bir zenginlik sağlar. Bölüm 1 ve 7 optik biyomarkerların kantitatif takılması için kullanılabilir mutlak spektral verileri elde etmek için ana işlem adımları vurgulamak. Arka plan ve temel çıkarma kullanıcı gerçekleştirmek için izin için hayati önemNormal aydınlatma şartlarında DOS ölçümleri. Bölüm 8 gerekli modeller öncesi ve X-ışını ışınlama sonrası atimik fareler tanımlamak için gerekli denklemler içerir. Burada, uygun emiciler seçimi ölçülen spektrumları doğru açıklaması için hayati önem taşımaktadır. Kullanıcının iyice literatürde dalga boyu aralığı ve önceki optik biyobelirtecin uydurma modeli inşa verilen bir çalışmada kullanılan faiz doku hakim kilit emiciler araştırmak tavsiye edilir. Son olarak, Bölüm 3-5 DOS alımı sırasında atimik farelerde kullanılacağını açıklarlar. Yerel damarsal bozmamak için, fare deri yüzeyinde DOS probu yerleştirmek için yumuşak güç kullanmayın.

Hiper bantlı kamera sistemlerinin 3,4 göre daha ucuz olmakla birlikte, tarif edilen DOS yaklaşım net bir şekilde sınırlamayı dağınık yansıtıcılık ölçülmesi için bir nokta sonda kullanılmasıdır. Cilt ile Bu yansıma geometri ihtiyaçları nazik temas vetutarlı prob-cilt basınç istihdam değilse damarsal dağıtarak ölçüm belirsizliğini tanıtmak için bir potansiyele sahiptir. DOS prob gelecek tasarımları tutarlı sonuçlar korumak için bir basınç sensörü içerebilir. yakın kaynak detektör ayırma (<2-3 mm) kullanımı cilt yüzeyine belirli optik sondalama derinlikleri için izin verirken, ayrıca, gelişmiş özgüllük 2B hiperspektral görüntüleme ile karşılaştırıldığında uzaysal çözünürlük kaybı geliyor. Bu sınırlama, genel ışınlanmış hacim kullanıldı yakalar 5 puan kadran tarama en aza indirmek için. Uzaysal çözünürlük olmamasına rağmen, farelerde 5 önceki çalışma optik biyomarkırların yeteneği ışınlanmış ve non-ışınlanmış cilt değil, aynı zamanda Vasculotide 6 olarak girişimsel ilaçların koruyucu cilt etkisini sadece ayırt etmek için bir seyrek alan üzerinde ortalama göstermiştir.

Genel sistem tasarımı, farklı cilt için modifiye edilebilir iken unutulmamalıdır modeller, temel spektrumları yatan ve saçılma şekil optimize edilmesi gerekebilir. Spesifik olarak, oksi- ve deoksi-Hb de bir atimik fare modeli, uygun montaj için melanin ilave edilmesini gerektirebilir koyu deriye aynı modele ait uygulama tarif etmektedir. Buna ek olarak, DOS uzantısı yüksek dalga boylarında hakim su ilavesini, gerektirecek> 950 nm yüksek dalga boylarına göre bant genişliği. Bundan başka, farklı cilt kalınlıkları hayvan modelleri derinlik hassasiyetini optimize etmek için farklı bir kaynak-dedektör ayrılmasını gerektirir. Son olarak, tüysüz özellik algoritmaları basit bir hale getiriyor. olmayan tüysüz modeller bazı araştırma soruları için optimal olabilmesine rağmen, onlar sonuçlarını etkileyebilecek bu süreçten DOS ölçümlerden önce epilasyon ve cilt tahrişine gerektirecektir. Toplam bağışıklık fonksiyonu, bir immün sistemi tüysüz sıçan önemlidir araştırma için (örneğin, SKH-1) nedeniyle iyilik doğası için daha iyi bir model olarak hizmet edebilir.

ent "> DOS prob ölçümleri için önemli hususlar tutarlı RT ve ışınlanmış bölgenin tahmini vardır. Sıcaklık dalgalanmaları doku Hb ve STO 2 düzeylerini etkileyebilir. Her veri toplama anda 3 olmayan ışınlanmış hayvanlar bir grup ölçülmesi için temel olarak hizmet edebilir parametre değerleri istenmeyen çevresel değişimlerin normalize edilebilir. Ayrıca, ışınlanmış alanı (flep hazırlıkları tutarlı olmasa) zarar görme günde 5 (40 Gy) etrafında tezahür etmeye başlamadan önce tahmin etmek zor olabilir. siyah kalıcı bir kalem kullanıyorsanız radyasyon maruz kalan deride sınırlarını nokta, okuma tehlikeye düşürebilecek mürekkep lekelenmeyi önlemek için aşırı mürekkep kullanımını önlemek.

Sistemin bir ilave özelliği, saçılma özellikleri ile ilgili emme ayrı yeteneğidir. Alternatif hiperspektral görüntüleme sistemleri de oxyHb ve Hb konsantrasyonu, hiperspektral görüntüleme i serbest uzay geometrisi izlemek için yeteneği sağlarken saçılma değişiklikleri çözemediği s. Saçılma önemli değişiklikler nedeniyle eritem (kızarıklık) meydana Bu sınırlama iade oxyHb, Hb yanlışlıklar ve STO 2 parametreleri neden olabilir. Dahası, DOS kullanarak saçılma değişikliklerin izlenmesi eritem değerlendirilmesi için ek optik biyobelirteçleri sağlayabilir. Şekil 6'da gösterildiği gibi, Yohan ve ark., (2014) ilk sonuçları A ve görsel skor sistemleri gibi diğer alternatif yöntem gözlenen eğilimleri ile ilişkili değildir iyonize edici radyasyon, aşağıdaki zamansal seyir gösterir k göstermektedir. Bu dağılma değişiklikler görsel açıklayıcı bir şekilde ortaya olmayan ve aslında ayrı biyolojik işlem tarif ediyor olabileceğini göstermektedir. Bu nedenle, alternatif yöntemlere kıyasla, DOS yüzeysel saçılma değişiklikleri için yüksek çözünürlük, her zamanki Hb tabanlı ölçümlerden ayrı olabilir yeni cilt hasarı biyobelirteçlerini araştırmak için bir yol sağlar.

jove_content "> bizim modeli (klinik ortamda kullanılan ziyade çok sayıda küçük fraksiyonlara dozlarda) büyük bir tek radyasyon dozunu, bu taklit akut insan derisi radyotoksitliğini 21 patofizyolojisi. Ayrıca optimizasyonu, DOS sağlayabilir öngörülmektedir istihdam rağmen radyoterapiye bağlı cilt reaksiyonları otomatik ve standart puanlama için bir nicel bir yaklaşım. Bu tekniği mastering sonra, gelecekteki uygulamalar, örneğin deri radyasyondan korunması için bir kontrol ve deneysel tedavi arasında oxyHb düzeylerini karşılaştırarak, ya da yara iyileşmesi tanıtımı için (cilt koruyucu terapötik arasındaki farklılıkları izlenmesi içerebilir ). hayvan modellerinde, yüksek verimlilik gösteren ilaç tarama için idealdir birlikte, DOS sistem kullanıma bağlı ve normal aydınlatma şartlarında ölçülmesi yeteneği kolaylığı klinik ortamda potansiyel olarak adapte edilebilir. Bu durumda, prob tasarımı küçük değişiklikler gerektirebilir hesaba biraz daha büyük optode ayrımları ileinsan derisinin artan kalınlığı. Klinik DOS sistem ağrılı deri reaksiyonları en aza indirmek ve hasta konforunu ve uyumu geliştirmek girişimsel tedavilerin on-line değerlendirme için izin verecek. Gelecekte, kronik radyasyon cilt hasarı (örneğin, fibrozis) özelliklerine DOS tabanlı kantifikasyonunu genişletmek ilginç olabilir.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma, Abbott CARO (Kanada Radyasyon Onkologları Birliği) Üro-Onkolojik Radyasyon Ödülleri ve Alan E. Tiffin Vakfı'ndan SKL'ye verilen araştırma hibeleri ile desteklenmiştir. EK, Frederick Banting ve Charles Best Canada Yüksek Lisans Bursu, Prostat Kanseri Araştırmalarında Scace Yüksek Lisans Bursu ve Paul Starita Yüksek Lisans Öğrenci Bursu tarafından desteklenmiştir.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Çıplak farelerörneğin, Charles RiverAtimik çıplak Crl:NU(NCr)-Foxn1nu veya bağışıklığı yeterli çıplak Crl:SKH1-Hrhr
Küçük hayvan ışınlayıcı örneğin, Faxitron X-Ray Corp.Faxitron CP160
Hayvan anestezisi İndüksiyon hazneli izofluran buharlaştırıcı makinesi kullanıyorsanız, tüp ve burun konisine ihtiyacınız vardır.
Kurşun jig ve pleksiglas sahneÖzel yapımIşınlayıcı cihaz tüm hayvan vücudunu radyasyona maruz bırakırsa, sadece deri kanadını maruz bırakmak için kurşun koruyucu kullanılmalıdır.
Tıbbi bant 
Kalıcı işaretleyici / kulak zımbalayıcı
MatlabMathworks Inc., Natick, Statistics 
LabviewUlusal Aletler, Vaudreuil-Dorian, QB
DOS sistemi
Optik çoklayıcıOkyanus Optiği, Dunedin, FLModel MPM-2000
SpektrometreOkyanus Optikleri, Dunedin, FLModel S200
Beyaz ışık kaynağıOkyanus Optikleri, Dunedin, FLModel LS-1
İntralipid-%20Kabi Pharmacia, New York, NY
Yansıtma standardıINO, Quebec City, QB
Toolbox ile MA

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Diffuse Optical SpectroscopyRadiation Skin ToxicityMouse ModelQuantitative BiomarkerOptical ParametersSource Detector SeparationTissue Oxygen SaturationVisual ScoringRadiation TherapyPreclinical Model

Related Articles