电脑断层导引的时域漫荧光体层摄影术在小动物的肿瘤生物标志物的本土化

摘要

弥漫性荧光体层摄影术提供了一个相对较低的成本和潜在的高通量的方法，以临床在体内肿瘤显像。计算机断层扫描引导非接触式时域使用荧光针对肿瘤标志物的表皮生长因子受体在小鼠脑胶质瘤模型系统的光学数据收集，校准和图像重建方法。

摘要

小动物荧光分子成像（FMI）可以是一个强大的工具，临床前药物发现和开发研究^1。然而，由组织生色团（如血红蛋白，水，脂肪，黑色素）的光吸收通常限制光信号的传播，通过厚度大于²几毫米。相比其他可见光波长，组织吸收红光和近红外（近红外）的光吸收显着降低和非弹性散射占主导地位的光组织的互动机制。荧光剂的吸收和发射光在近红外范围（600-1000 nm）的，相对近期的发展带动了成像系统和光的传播模式，可以实现在³小动物全身三维成像的发展。

尽管在这一领域的巨大进步，弥漫性荧光体层摄影术的病态性质仍然是一个重要的的稳定，相反​​复苏和空间分辨率图像重建技术，在FMI的小动物的最佳途径的问题还有待商定。大多数的研究小组已投资在电荷耦合器件（CCD）为基础的系统，提供丰富的组织取样，但最理想的敏感性^4-9，而我们组和^10-13少数人的追求非常高的灵敏度探测器的基础上的系统，允许组织密度采样，此时要实现成本低成像吞吐量。在这里，我们证明申请单光子荧光断层成像系统的检测技术，本地化癌细胞在小鼠模型脑损伤的方法。

荧光断层成像（FT）系统采用单光子计数用光电倍增管（PMT）和信息丰富的时域光检测在非接触式构象^11。这提供了一个同步的山坳激发和发射光传输的经文，包括激发自动曝光控制^14，激光参照，与小动物计算机断层扫描系统（微型电脑^）15，共登记。裸鼠模型被用于成像。原位接种动物与人脑胶质瘤细胞株（U251细胞）在左侧大脑半球，2周后成像。肿瘤注射荧光示踪剂荧光，IRDye 800CW表皮生长因子（Li-COR Biosciences公司，林肯，NE）的有针对性的表皮生长因子受体，细胞膜蛋白已知U251肿瘤行过度和许多其他癌症^18。第二，没有针对性的荧光示踪的Alexa Fluor 647（Life Technologies公司，大岛，NY）也被注入帐户针对性示踪剂的摄取提供量化示踪结合和受体的可用性/密度的一种手段，非受体介导的效果^27。一个CT引导下，TIME域算法，用于重建的两个荧光示踪剂的位置（ 即 ，肿瘤的位置）在小鼠的大脑和他们的能力，本地化的肿瘤对比增强磁共振成像验证。

虽然荧光成像在脑胶质瘤的小鼠模型表明，在这部影片中提出的方法可以扩展到不同的肿瘤模型中的各种小动物模型可能上升到老鼠的大小^17。

研究方案

1。动物的制备

1. 麻醉裸鼠腹腔内注射氯胺酮 - 甲苯噻嗪（100毫克/千克10毫克/公斤的IP）（查尔斯河，威尔明顿，马萨诸塞州）。
2. 鼠标放置在立体框架，使一个切口，将头皮上的头骨左侧，使用18号针头，创建头骨2毫米到1毫米直径的孔从中央线和2毫米的背后前囟门。
3. 5μL磷酸盐缓冲溶液注入5×10 ⁵的U251人类神经胶质瘤细胞（请在达特茅斯学院，汉诺威，NH博士马克以色列提供）到左侧大脑半球表面以下约2毫米的深度大脑。使用一个Hamilton微量注射器¹⁸钝截至细胞植入27号针头插入针从头骨的外表面3毫米的一角，然后退出1毫米到创建一个细胞的口袋。
4. 缝合切口部位，并允许重新covery从手术。
5. 等待〜14天，使肿瘤生长前成像。

2。荧光体层摄影术系统标定

1. 鼠标成像的日子，启动系统和激光器和光探测器，允许约20分钟热身，以避免在系统的灵敏度漂移。
2. 放置一个100°×4°在直接成像龙门中心工程线扩散器（Thorlabs，牛顿，新泽西州），正常的激励激光皮秒脉冲80MHz的多模635 nm激光二极管（PicoQuant光子北美国公司，西田，马）。扩散器的角度调整，以最大限度地发挥所有五个光收集渠道检测到的信号量。提供一个完整的描述成像几何别处^11,14,15。
3. 将外径2中性密度过滤器在前面的所有荧光检测的光电倍增管（PMT）和外径1中性密度过滤器（Thorlabs，牛顿，新泽西州）（THorlabs，牛顿，新泽西州），在前面所有透过率检测的光电倍增管。收集100时空传播的激光脉冲型材（TPSF），每个1的整合时间。
4. 正常化的激光参考每个TPSF，正确的时空漂移在激光参考，超过平均每个探测器的所有迭代。这些的平均TPSFs是探测器特定的仪器响应函数（IRF）的光学图像重建中使用。

3。成像议定书“

1. 麻醉与异氟醚2％的氧气（1升/分钟）的鼠标。
2. 注入100μL磷酸盐缓冲液，腹腔，12小时前1 nanomole的IRDye 800CW-EGF的Alexa Fluor 647和1 nanomole针对表皮生长因子受体的过度表达，在肿瘤成像。
3. 鼠标放置到玻璃纤维成像床支持，安排的鼠标，所以它的鼻子仍然在提供异氟醚麻醉锥。
4. 恩确保鼠标定位： 即在床上适当的荧光断层成像系统固定在床上时鼠标是在的成像龙门近似中心。有关鼠标的激发激光180°旋转，确保激光的焦点照亮中心鼠标一点，大约从激光在各个角度的角度来看，这种定位可以指导。
5. 一旦定位，仔细转移成像床和鼠标的微型电脑（探索轨迹，GE医疗，伦敦，ON）扫描仪，并收集在鼠标的整个头的分辨率为93微米的各向同性的解剖信息。
6. 可视化CT图像堆栈和选择（S）与荧光断层成像系统成像切片。
7. 仔细转让荧光断层成像系统成像床和鼠标。选择源位置的编号，以收集有关鼠标的数据，为每个成像SLICE（32），积分时间为每个TPSF测量（1秒），为每个源的位置（10）的迭代的数量，并从步骤3.6 CT图像堆栈中的地位和所需的影像片的数量。括号中的数字是每个成像产生每成像片〜5分钟的数据采集参数的典型值。
8. 放置在前面的荧光检测的光电倍增管的三重缺口过滤器（色度科技公司，波纹管瀑布，VT），以限制任何达到荧光探测器的激光，外径2中性密度滤光片的透过率检测的光电倍增管前，以避免饱和这些探测器。
9. 运行数据采集软件，收集在每个定义的源，探测器位置和荧光激发波长（635 nm和755 nm的激发的Alexa Fluor 647和IRDye 800CW-EGF的示踪剂，分别）为每个和透光TPSFs的。为每一套TPSFs收集，监视和记录的激光强度参考的PMT通道。

4。图像重建

1. 确定鼠标的外表面和成像床支撑杆从CT图像的位置，并创建口罩，分别涵盖了鼠标的束缚，成像棒。
2. 使用鼠标面具产生了使用的NIRFAST软件¹⁹动物的有限元网格。
3. 本地化基于微型电脑和荧光的空间登记统筹²⁰网格表面上的荧光断层成像系统的源和探测器的位置。
4. 卸下光学数据源或探测器的位置成像床支撑杆的位置交互点。
5. 规范化数据收集在每个源探测器的位置由激光参考，正确的时间漂移​​在激光参考，正确的过滤器的灵敏度，这是由实验测试确定在购买时间¹⁵
6. 每个源探测器位置的数据的出生比率（荧光分为透光）和繁殖与动物统一的光学性质的有限元网格上的透光率的正向模型的仿真。这样做，以减轻相关的错误源或探测器组织耦合^21，校准数据模型^22，和数据调整等方面的数据模型不匹配^23,24。
7. 构建一个数据向量组成的出生比例收集到的数据在两个波长的规模差异。比例因子的选择，以最大限度地提高EGFR结合对比。执行时域与校准的区别使用TPSF的数据作为输入的每个检测通道的图像重建，并建立荧光增强针对性示踪¹⁵地图。

5。代表结果

“>荧光重建（ 图1b确定脑胶质瘤的质量中心共同注册的鼠标在图1b 1 U251细胞原位脑胶质瘤肿瘤与头部CT的解剖图像叠加荧光重建的一个例子。 ）CT和MRI图像质量对比增强磁共振成像（ 图1a）确定的肿瘤中心内1毫米。共登记基于一个共同的信息化改造。

图1。对比度增强（钆）鼠标头部的磁共振成像（一）。鼠标用的U251人脑胶质瘤细胞株接种原位。吸收超过正常脑造影剂，肿瘤的位置，可以看到在左侧大脑半球（右图像）和白色箭头指示。 “都有对应Ğ计算机断层扫描图像（从同一位置上的鼠标头），（二）与表皮生长因子有针对性的荧光减去不相关的荧光重建覆盖描绘。荧光的单位是在逆毫米和涉及到的结合针对性的荧光量子效率和乘以其浓度的吸收系数。

讨论

荧光断层扫描（FT）是一个敏感，电离辐射自由分子成像方式的基础上通过生物组织的可见光和近红外光传输。在FT的利益大部分都集中在小动物实验模型¹和重要的研究领域之一，一直是癌症的生物标志物的表达和²⁶分子疗法的研究，以加速药物发现和开发的潜力。目前，有两个相互竞争的办法FT系统设计。最常见的设计是基于冷却的电荷耦合器件（CCD）摄像机荧光检测^4-9。这种设计提供了一个高密度的测量，最大限度地组织取样，因为每个像素的CCD相机可以检测光线已走遍组织的一个独特的路径。然而，CCD相机有一个有限的动态范围和读出噪声限制了他们的最终灵敏度。第二个设计，避免了潜在的限制 CCD相机检测的tions采用高度敏感的单光子计数技术的基础上，这种探测器使用光电倍增管或雪崩光电二极管^10-13的影响。这些更敏感的检测方法的缺点是，每个探测器可以只收集在一个单一的点光，因此，要实现组织密度采样，要么许多探测器，必须使用（这是非常昂贵），或许多预测成像具有相同探测器（可以是耗时）。小动物的FT组织取样的最佳水平，而没有商定，对案件逐案的基础上可能会有所不同，它同意，单光子计数仪器更适合探索金融时报“的敏感性限制条款它能够探测到低浓度的分子标记。在这项研究中，我们提供了一种方法，为开展金融时报“使用单光子计数检测仪器定位在小鼠的肿瘤。

耳鼻喉科“>有涉及到生产与时间相关单光子计数金融时报”的强大的数据集的四个关键步骤。首先是一个合适的和简单的校准过程中的应用。在提出的方法，每个检测通道各自的敏感性占收集计量基准的激发光传输线扩散器通过旨在引导光等于每个探测器的分数^15。此外，在实验中检测光不断校准激光参考，双方强度和平均时间，这可能会随着时间的推移而波动^11,15激光参考通道的运作，第二个关键步骤是“金融时报数据的准确收集和解剖成像制导荧光重建共登记单没有提供解剖信息;因此，为了创造一个光传输模型可以用来重建的劳在试样表面荧光检测的标本内的荧光来源的阳离子，解剖标本FT系统必须准确知道。在我们的系统中，被收购的解剖信息与空间坐标空间已注册的FT系统^15,20微型计算机断层扫描系统。第三个关键的一步是确保最佳曝光（ 即总光子探测时间为每个激光投影）受聘在每个源探测器的位置。这是很重要的原因有两个：第一，要确保有足够的信号与噪声在每个检测位置和第二，以避免探测器饱和，这可能会损坏检测单位。为了实现在每个探测器位置的最佳曝光，自动曝光控制，基本上从二，低信号暴露¹⁴三角测量的最佳曝光。第四个关键该方法的步骤是引用传输激发光量的荧光数据收集。此参照通常被称为出生比率，并提供金融时报“的许多好处，主要是减缓的数据模型不匹配的错误^23,24之一。该系统的设计，同时检测窜，在每个检测通道分为2个独立的光电倍增管的光激发光荧光和传播。通过这样做，我们避免出生比率的准确性议案的任何影响。

它一方面与一个强大的数据集时域数据，图像重建涉及逆问题求解的有限元网格表达：

D = JX

其中d是一个向量为N×M为N源，探测器的预测和 m TPSF时间门元素; J是一个 N x M--升灵敏度矩阵（或雅可比），L的网格节点; x是在每个节点上的荧光光学性质的载体，具有尺寸 L d是校准实验和 J期间收集的数据是模拟采用有限元解决方案。到时域扩散近似的荧光运输^25。时间维的 J也探测器特定的仪器响应函数的卷积。X荧光地图利益的代表，并用Tikhonov正则化¹⁵ 1的Levenberg-Marqardt非负最小二乘法解决。

这里的方法提出，它描述了一个程序化荧光标记的使用高度敏感的光子计数荧光检测小鼠肿瘤的能力，有潜力，推动金融时报的限制。在先前的研究中，采用这种潜在在较大的小鼠动物模型，如大鼠，以及在现有鼠标中小型标本系统设计，提高了灵敏度，方法，结果表明^17。这种方法的直接应用，将小动物肿瘤模型体内一种高通量的手段，以评估药物疗效监测的生物标志物的表达。该系统在多个波长的荧光激发和检测的能力允许多个荧光标记物的同时检测。额外的荧光标记物提供了一种手段，审问的病理多个方面，同时，或可用于在这项研究中，双记者的方法测量在体内结合的潜力，受体密度的标记，如聘请更多的定量成像方法^26,27。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
试剂名称	公司	目录编号	评论（可选）
IRDye 800CW - 表皮生长因子	李-COR公司Biosciences公司	926-08446
的Alexa Fluor 647，琥珀酰亚胺酯	生命科技	A20106	与水反应，以尽量减少非特异性结合