Kanser BİYOMARKÖRLERİN Yerelleştirme Küçük Hayvanlarda Bilgisayarlı Tomografi eşliğinde Zaman alanı Diffüz Floresans Tomografi
17 Temmuz 2012
Diffüz floresans tomografi preklinik için yüksek boyunca nispeten düşük maliyetli ve potansiyel bir yaklaşım sunuyor In vivo Tümör görüntüleme. Optik veri toplama, kalibrasyon ve görüntü oluşturma metodolojisi floresan bir fare glioma modelinde tümör belirteç epidermal büyüme faktörü reseptörü hedef kullanarak bilgisayarlı tomografi eşliğinde temassız time-domain sistemi için sunulmuştur.
Aşağıdaki deneyin genel amacı, bir ortotopik glioma fare modelinde epidermal büyüme faktörü reseptör ekspresyonunun floresan görüntülerini üretmektir. Bu, bir A IIC faresinin sol serebral hemisferinin, insan U2 51 glioma hücrelerini eksprese eden yeşil floresan proteini ile aşılanmasıyla elde edilir. Tümör iki hafta boyunca büyüdükten sonra, fareye iki floresan izleyiciden oluşan bir kokteyl enjekte edilir.
Fare daha sonra doğru görüntü rekonstrüksiyonu için gerekli anatomik verileri toplamak için küçük bir hayvan röntgen sisteminde görüntülenir. Veriler, kaynağı anatomik olarak konumlandırmak ve optik tomografi sisteminin konumlarını tespit etmek için kullanılır ve floresan verilerini toplamak ve nihai görüntüyü oluşturmak için özelleştirilmiş yazılım kullanılır. Sonuç olarak, bu yöntem, hem floresan hem de x-ışını görüntüleme kullanarak epidermal büyüme faktörünün aşırı ekspresyonuna dayalı olarak bir tümörün görüntüsünü oluşturabilir, bu da doğruluğu kontrastlı manyetik rezonans görüntüleme ile karşılaştırılabilir.
Bu tekniğin şarj çifti, cihaz tabanlı küçük hayvan floresan tomografisi gibi mevcut yöntemlere göre ana avantajı, foto çoğaltıcı tüpler kullanılarak yapılan tek foton sayma tespitinin ışık tespiti için çok daha yüksek bir hassasiyet ve dinamik aralık sunmasıdır. Bu yöntem sonuçta moleküler tedavilerin hedeflerinin ekspresyonunu ölçerek başarısını izlemek, ölçmek için kullanılabilirken, deri altı tümörler yüzey görüntüleme kullanılarak tomografik olmayan yöntemlerle kolayca görüntülenir. Bu sistem, birkaç santimetre kalınlığa kadar olan dokudan görüntü almak için tasarlanmıştır, bu da onu özellikle görüntü, kontrast, ajan iletimi ve beyin tümörlerine sızıntı için çok uygun hale getirir.
Bu yöntem kanser biyobelirteç ekspresyonu hakkında fikir verebilse de, enfeksiyon, obezite veya Alzheimer gibi yaşlanma unsurları gibi diğer hastalık çalışmalarına da uygulanabilir. Genel olarak, bu yönteme yeni başlayan bireyler, biyolojik dokudaki ışık yayılımının yaygın doğası ve yaygın ışık rekonstrüksiyonu için x-ışını tomografisinin kullanılmasının zorluğu nedeniyle mücadele edeceklerdir. Bu yöntemin görsel gösterimi çok önemlidir.
Veri toplama ve görüntü rekonstrüksiyon adımlarının öğrenilmesi zor olabileceğinden, floresan sisteminden toplanan verilerin iyi kalibre edildiğinden emin olmak önemlidir. Neredeyse hızlı yazılım paketi, optik verileri okumak ve x-ışını tomografi görüntülerini, floresan rekonstrüksiyonu için uzamsal bir şablon olarak kullanılan sonlu bir eleman ağı oluşturmak için kullanmak üzere tasarlanmıştır. Başlamak için, anestezi uygulanmış bir atemik çıplak fareyi steril bir cerrahi örtü üzerine yerleştirin ve devam etmeden önce anestezi derinliğini onaylayın, kesi alanı üzerindeki cildi temizleyin ve dezenfekte edin.
Betadine kullanarak, bir neşter kullanarak kesi yerinin üzerine steril bir cerrahi örtü yerleştirin, orta hattın biraz solunda ve göz içi çizgisinin 0,5 santimetre gerisinde küçük bir kesi yapın. Yer işaretlerinin tanımlanabilmesi için herhangi bir bağ dokusunu temizleyerek kafatasının yüzeyini temizleyin. Kafatası açığa çıktığında, merkezi çizginin iki milimetre solunda ve bgma'nın iki milimetre arkasında bir delik açmak için steril bir milimetre uçlu yüksek hızlı bir matkap kullanın.
İmplante edilecek hücrelerle birlikte künt uçlu 27 gauge iğneli bir Hamilton Micros şırınga yükleyin. Ardından, fareyi stereotaksik bir çerçeveye yerleştirin. Daha sonra bir ayak parmağı çimdikleme ile derin bir cerrahi ve estetik düzlemi onaylayın ve hayvanın üzerindeki cerrahi örtüyü değiştirin.
Ardından, yüklü şırıngayı stereotaksik çerçeveye sabitleyin. Şırıngayı kafatasındaki deliğin üzerine yerleştirin ve iğnenin ucunu kafatası yüzeyinin üç milimetre altına yerleştirin. Ardından, bir cep oluşturmak için iğneyi bir milimetre çekin.
Bir sonraki adım, hücreleri beş dakikalık bir süre boyunca sol serebral hemisfere yavaşça enjekte etmektir. Enjeksiyon tamamlandıktan sonra iğneyi geri çekin ve deliği Betadine ile temizleyin. Hücrelerin enjeksiyon bölgesinin dışında büyümesini önlemek için, fareyi stereotaksik çerçeveden çıkarın ve açıkta kalan deliği önceden ısıtılmış kemik mumu ile doldurun.
Son olarak, kesi bölgesini steril beş oh naylon sütür ile kapatın. Fareyi ısıtılmış bir kafese geri koyun ve iyileşene kadar izleyin, iyileşmeden sonra fareye kilogram başına 130 mikrolitre 0.1 miligram buprenorfin IP'si enjekte edin ve görüntülemeden önce 14 gün boyunca tümörün büyümesine izin verin. Fare görüntüleme gününde, lazerlerin ve ışık dedektörlerinin yaklaşık 20 dakika ısınmasına izin vermek için sistemi başlatın.
Sapmaları ve sistem hassasiyetini önlemek için, uyarma lazerlerini sistemin algılama kanalları arasında eşit yoğunlukta dağıtmak için görüntüleme portalının doğrudan merkezine 100 dereceye kadar dört derece tasarlanmış bir çizgi difüzörü yerleştirin. Beş ışık toplama kanalının tümü tarafından algılanan sinyal miktarını en üst düzeye çıkarmak için difüzörün açısını elle ayarlayın. Sonraki yer optik yoğunluk.
Tüm floresan algılama fotoçoğaltıcı tüplerin önünde iki nötr yoğunluk filtresi PMT adı verilen ve optik yoğunluk. Tüm geçirgenlik algılamasının önünde bir nötr yoğunluk filtreleri. PMT'ler, her biri sırayla her lazer için bir saniyelik entegrasyon süresine sahip 100 zamansal darbe yayılma fonksiyonu veya lazerin T psf'lerini toplar, her TPSF'yi lazer referansındaki zamansal kaymayı doğru olan lazer referansı ile normalleştirir ve her dedektör ve her lazer için tüm yinelemelerin ortalamasını alır.
Bu ortalama TPS'ler, görüntüleme prosedüründen 12 saat önce optik görüntü rekonstrüksiyonunda kullanılan dedektöre özgü cihaz yanıt işlevleridir. Test faresine bir floresan izleyici kokteyli enjekte edin. Floresan tomografi sisteminin doğru kalibrasyonu ve hayvan hareketinin kısıtlanması bu işlemin en zor yönleridir.
Görüntülerin yeniden yapılandırılması o kadar kötü bir konumdadır ki, veri toplamadaki küçük hatalar bile yeniden oluşturulan görüntüde önemli hatalara yol açabilir. Doğru verilerin toplandığından emin olmak için, fareyi mümkün olan en iyi şekilde hareketsiz hale getiriyoruz ve hazır olduğunda doğru bir kalibrasyon alma şansını artırmak için taramadan önce ve sonra kalibrasyonu tekrarlıyoruz. Anestezi uygulanmış hayvanı görüntüleme yatağının fiberglas desteklerine yerleştirin.
Sürekli gaz anestezisi için kafayı burun konisine yerleştirdikten sonra, dişleri ısırma çubuğuna sabitleyin ve hayvanı bantlayın. Fare, görüntüleme portalının yaklaşık merkezine yerleştirilmelidir. Bu konumlandırma, uyarma lazerini fare etrafında 180 derece döndürerek yönlendirilebilir ve lazerin odak noktasının, lazerin perspektifinden tüm açılarda kabaca farenin merkezindeki bir noktayı aydınlatmasını sağlar.
Düzgün bir şekilde yerleştirildikten sonra, görüntüleme yatağını ve fareyi dikkatlice mikro CT tarayıcıya aktarın ve farenin tüm kafası için 93 mikrometre izotropik çözünürlükte anatomik bilgi toplayın. BT görüntü yığınını görselleştirin ve floresan tomografi sistemi ile görüntülenecek dilimleri seçin. Görüntüleme yatağını ve fareyi dikkatlice floresan tomografi sistemine geri aktarın.
Daha önce oluşturulan CT görüntü yığınından her görüntüleme dilimi için kaynak konumlarının sayısını, her TPSF ölçümü için entegrasyon süresini, her kaynak konumu için yineleme sayısını ve istenen görüntüleme dilimlerinin konumunu ve sayısını seçin. Daha sonra, tüm uyarma ışığını ve optik yoğunluğu geçirgenlik algılama PMT'lerinin önündeki nötr yoğunluk filtrelerine engellemek için filtreleri floresan algılama PMT'lerinin önüne yerleştirin. Bu dedektörlerin doygunluğunu önlemek için, her iki uyarma dalga boyunda tanımlanan her kaynak dedektör konumunda floresan ve geçirgenlik t psfs toplayan veri toplama yazılımını çalıştırın.
Toplanan her T psfs seti için, lazer yoğunluğunu bir referans PMT kanalı ile izleyin ve kaydedin. Farenin dış yüzeyini ve görüntüleme yatağının konumunu belirleyin. CT görüntülerinden çubukları destekleyin ve farenin ve görüntüleme çubuğunun sınırlarını kaplayan maskeler oluşturun.
Ayrı olarak, yakın hızlı yazılımı kullanarak hayvanın sonlu elemanlı bir ağını oluşturmak için fare maskesini kullanın. Mikro CT ve floresan uzamsal kayıt koordinatlarına dayalı olarak ağın yüzeyindeki floresan tomografi sisteminden kaynak ve dedektör konumlarını belirleyin. Görüntüleme yatağının konumuyla etkileşime giren kaynak veya dedektör konumlarıyla ilişkili optik veri noktalarını kaldırın.
Destek çubukları, lazer referansı tarafından her bir kaynak dedektör konumunda toplanan verileri normalleştirir, lazer referansındaki zamansal sapmayı doğru yapar ve satın alma sırasında deneysel testlerle belirlenen filtre hassasiyetlerini düzeltir. Her bir kaynak dedektör konumu için verilerin doğum oranını alın ve tek tip optik özellikler için sonlu eleman hayvan ağına dayalı bir ileri model geçirgenlik simülasyonu ile çarpın. Bu, kaynak veya dedektör doku bağlantısı ile ilişkili hataları azaltmak, verileri modele kalibre etmek ve model veri uyumsuzluğunun diğer yönleri için verileri ayarlamak, her iki dalga boyunda toplanan doğum oranı verilerinin ölçeklendirilmiş farkından oluşan bir veri vektörü oluşturmak için yapılır.
Ölçekleme faktörü, EGFR bağlama kontrastını en üst düzeye çıkarmak, her algılama kanalı için TPSF'yi bir girdi olarak kullanarak kalibre edilmiş fark verileriyle zaman alanı görüntü rekonstrüksiyonu gerçekleştirmek ve görülen kontrastla geliştirilmiş hedeflenen izleyicinin floresan haritalarını oluşturmak için seçilir. Burada, U2 51 ortotopik glioma tümörü olan bir fareden alınan ortak kayıtlı BT anatomik görüntüsü ile kaplanmış bir floresan rekonstrüksiyonu örneği verilmiştir. Floresan rekonstrüksiyonu ile belirlenen gliomun kütle merkezi, kontrastlı manyetik rezonans görüntüleme ile belirlenen, tümör kütle merkezinin bir milimetre içindeydi.
Veri toplama yazılımı bu cihaz için özel olarak oluşturulmuştur, ancak görüntü işleme tekniklerinin çoğu yakın hızlı yazılım available@nearfasts.org kullanılarak yapılabilir. Bu nedenle, bu prosedürü denerken, görüntü yeniden yapılandırmasından önce hem sistemin hem de verilerin doğru bir şekilde kalibre edildiğinden emin olmak önemlidir. Bu kalibrasyon, dedektörler arasındaki hassasiyet ve zamansal farklılıkların, bir biyobelirteç hedefli izleyicinin aşağıdaki görüntü rekonstrüksiyonu için hesaba katılmasını gerektirir.
Hedeflenmemiş bir izleyicinin benzer şekilde görüntülenmesi, reseptör aracılı olmayan alım için bir düzeltme yolu sağlar. Bu, izleyici bağlanma miktarının yanı sıra in vivo reseptör yoğunluğunun geliştirilmesinden sonra ölçülmesine izin verir. Bu teknik, diğer araştırmacılara x-ışını görüntüleme kılavuzlu floresan tomografi sistemleri tasarlamaları için ilham verdi ve daha büyük hayvanların tüm vücut görüntülemesinin yolunu açtı.
Bu videoyu izledikten sonra, kanser biyobelirteç görüntülemesi için x-ışını anatomik görüntüleme ve optik görüntüleme sistemlerini birleştiren bir diffüz floresan tomografi deneyinin nasıl gerçekleştirileceğini iyi anlamış olmalısınız.
Genel Bakış
Bu çalışma, bir glioma fare modelinde epidermal büyüme faktörü reseptörü ekspresyonunun floresans görüntülerini üretmek için bir yöntem sunmaktadır. Teknik, tümör görselleştirmesini artırmak ve moleküler tedavileri izlemek için floresans ve x-ışını görüntülemeyi birleştirmektedir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Sinirbilim
- Onkoloji
- Görüntüleme Teknikleri
Arka Plan
- Floresans tomografi, tümör görüntüleme için umut verici bir yaklaşımdır.
- Epidermal büyüme faktörü reseptörü, gliomalarda önemli bir biyobelirteçtir.
- Mevcut görüntüleme yöntemleri hassasiyet ve dinamik aralıktan yoksun olabilir.
- Bu çalışma, gelişmiş teknikler kullanarak doku içinde görüntülemeyi geliştirmeyi amaçlamaktadır.
Çalışmanın Amacı
- Canlıda tümör biyobelirteçlerini görüntülemek için bir yöntem geliştirmek.
- Bu yöntemin doğruluğunu geleneksel görüntüleme teknikleriyle karşılaştırmak.
- Kanser tedavisinde moleküler terapilerin izlenmesini kolaylaştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Bir fare modelinde glioma hücrelerinin enjeksiyonu.
- Görüntüleme için floresan izleyicilerin enjeksiyonu.
- Anatomi verisi toplamak için küçük hayvan x-ışını sisteminin kullanımı.
- Özel yazılım kullanarak görüntülerin kalibrasyonu ve yeniden yapılandırılması.
Ana Sonuçlar
- Floresans ve x-ışını verileri kullanılarak tümör ekspresyonunun başarılı görüntülemesinin sağlanması.
- Geleneksel yöntemlere kıyasla daha yüksek hassasiyet ve dinamik aralık.
- Kanser terapilerinin izlenmesi için potansiyel gösterilmesi.
- Veri toplama ve görüntü yeniden yapılandırmada karşılaşılan zorlukların belirlenmesi.
Sonuçlar
- Bu yöntem, klinik öncesi çalışmalarda tümör görüntüleme için değerli bir araç sunmaktadır.
- Kanser biyobelirteci ekspresyonu ve terapi etkinliği hakkında bilgiler sunmaktadır.
- Yeni kullanıcılar için daha fazla optimizasyon ve eğitim gerekmektedir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This method enables sensitive detection of epidermal growth factor receptor expression in deep-tissue tumor models, addressing a key limitation in preclinical oncology imaging. By combining time-domain fluorescence tomography with microCT co-registration, it improves biomarker localization accuracy and supports quantitative assessment of target engagement. The approach enhances predictive confidence in early-stage therapeutic development by providing mechanistic insight into biomarker expression dynamics.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of epidermal growth factor receptor overexpression as a therapeutic hypothesis in glioma models.
- Operational Value: Provides quantitative fluorescence readouts that support functional target validation and biomarker density assessment.
- Predictive Value: Improves confidence in target selection by correlating imaging signal with histopathological validation via contrast-enhanced MRI.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, reproducible fluorescence maps that reflect specific tracer binding to cell surface receptors.
- Operational Value: Supports assay readiness through dual-tracer methodology that distinguishes receptor-mediated from non-specific uptake.
- Platform Utility: Enables scalable imaging workflows for longitudinal monitoring of biomarker expression in preclinical studies.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates translational biomarker alignment by quantifying epidermal growth factor receptor expression in vivo.
- Operational Value: Ensures continuity from discovery through preclinical validation via cross-modality correlation with MRI.
- Risk Mitigation: Supports risk-adjusted advancement decisions by providing spatially resolved, quantitative biomarker data.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from target validation through lead optimization, enabling non-invasive monitoring of biomarker modulation in preclinical models.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of receptor overexpression and pathway activation in orthotopic tumor models.
- Screening: Delivers assay-ready, quantitative fluorescence outputs with high sensitivity and dynamic range for compound evaluation.
- Analytics: Provides time-domain photon flux measurements that enable precise reconstruction of biomarker distribution and expression levels.
- Translational Research: Connects to preclinical validation through co-registered anatomical imaging and quantitative biomarker correlation.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging platform applicable across tumor types and therapeutic modalities in oncology research.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in target validation through quantitative, spatially resolved biomarker imaging.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible data acquisition with sensitivity superior to conventional CCD-based fluorescence tomography.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making by reducing biological uncertainty in target expression and drug-target engagement.
- Portfolio Impact: Enables risk-based prioritization of therapeutic candidates based on measurable biomarker modulation in disease-relevant models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in optical imaging, fluorescence quantification, and small animal handling.
- Depends on single-photon detection hardware, time-domain laser systems, and co-registered microCT infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization for calibration protocols, data normalization, and reconstruction workflows.
- Involves adaptation considerations for different tumor models, tracer chemistries, and anatomical sites beyond orthotopic glioma.
- Involves practical limitations related to long acquisition times and complex data calibration, which affect throughput and require operator training.
