Phantoms Tissue-simulación para la evaluación de las posibles aplicaciones de imágenes de fluorescencia en el infrarrojo cercano en la cirugía del cáncer de mama

Resumen

Near-infrared fluorescence (NIRF) imaging may improve therapeutic outcome of breast cancer surgery by enabling intraoperative tumor localization and evaluation of surgical margin status. Using tissue-simulating breast phantoms containing fluorescent tumor-simulating inclusions, potential clinical applications of NIRF imaging in breast cancer patients can be assessed for standardization and training purposes.

Resumen

Las imprecisiones en la localización tumoral intraoperatoria y la evaluación de resultado quirúrgico estado de los márgenes en el resultado subóptimo de la cirugía conservadora de la mama (BCS). Imágenes ópticas, en particular, imágenes de fluorescencia en el infrarrojo cercano (NIRF), podría reducir la frecuencia de los márgenes quirúrgicos positivos siguiente BCS, proporcionando al cirujano una herramienta para la localización de tumores pre e intraoperatoria en tiempo real. En el estudio actual, el potencial de BCS guiada por NIRF se evalúa usando fantasmas en periodo de simulación de tejidos por razones de fines de normalización y formación.

Fantasmas de mama con características ópticas comparables a los de los tejidos normales de mama se utilizan para simular la cirugía conservadora de la mama. Se incorporaron Tumor-simulando inclusiones que contienen el colorante fluorescente verde de indocianina (ICG) en los fantasmas en ubicaciones predefinidas y la imagen de la localización del tumor antes y intraoperatoria, la resección del tumor guiada por NIRF en tiempo real, guiada por NIRFEvaluación de la extensión de la cirugía, y la evaluación postoperatoria de los márgenes quirúrgicos. Una cámara NIRF personalizada se utilizó como un prototipo clínica para los propósitos de formación de imágenes.

Fantasmas mamarios que contienen inclusiones de tumores simulando ofrecen una herramienta sencilla, barata y versátil para simular y evaluar imágenes de tumores intraoperatoria. Los fantasmas gelatinosos tienen propiedades elásticas similares a los tejidos humanos y se pueden cortar usando instrumentos quirúrgicos convencionales. Además, los fantasmas contienen hemoglobina y Intralipid para imitar la absorción y la dispersión de los fotones, respectivamente, creando propiedades ópticas uniformes similares a tejido mamario humano. El principal inconveniente de formación de imágenes NIRF es la profundidad de penetración limitada de los fotones cuando se propaga a través del tejido, lo que dificulta (no invasivo) de formación de imágenes de tumores profundos con las estrategias de epi-iluminación.

Introducción

La cirugía conservadora de la mama (BCS) seguida de radioterapia es el tratamiento estándar para los pacientes con cáncer de mama _T1-2 carcinoma de mama ^1,2. Las imprecisiones en la evaluación intraoperatoria de la medida de resultado de la cirugía en los márgenes quirúrgicos positivos en 20 a 40% de los pacientes que se sometieron a BCS, necesitando intervención quirúrgica adicional o ^3,4,5 radioterapia. Aunque la resección extensa del tejido mamario sano adyacente podría reducir la frecuencia de los márgenes quirúrgicos positivos, esto también obstaculizará resultado cosmético y aumentar ^6,7 comorbilidad. Por lo tanto, se necesitan nuevas técnicas que proporcionan retroalimentación intraoperatoria en la localización del tumor primario y la extensión de la cirugía. Imágenes ópticas, en particular, la fluorescencia de infrarrojo cercano de imágenes (NIRF), podría reducir la frecuencia de los márgenes quirúrgicos positivos siguientes BCS, proporcionando al cirujano una herramienta para la localización de tumores pre e intraoperatoria en rtiempo eal. Recientemente, nuestro grupo informó sobre la primera prueba en humanos de imágenes de fluorescencia tumor-específica en pacientes con cáncer de ovario, que muestra la viabilidad de esta técnica para detectar tumores primarios y metástasis intraperitoneales con alta sensibilidad ^8. Antes de proceder a los estudios clínicos en pacientes con cáncer de mama, sin embargo, la viabilidad de las diversas aplicaciones de imágenes NIRF tumorales orientada en BCS puede ya ser evaluado preclínicamente utilizando fantasmas.

El siguiente protocolo de investigación describe el uso de imágenes NIRF en fantasmas de mama con simulación de tejidos que contienen inclusiones de tumores simulando fluorescentes ^9. Los fantasmas proporcionan una herramienta barata y versátil para simular la resección localización del tumor antes y intraoperatoria, en tiempo real guiado-NIRF tumor, la evaluación del estado de los márgenes quirúrgicos, y la detección de la enfermedad residual. Los fantasmas gelatinosos tienen propiedades elásticas similares a los tejidos humanos y se pueden cortar usando s convencionalinstrumentos urgical. Durante el procedimiento quirúrgico simulado, el cirujano se guía por la información táctil (en el caso de inclusiones palpables) y la inspección visual del campo operatorio. Además, se aplica de imágenes NIRF para proporcionar al cirujano retroalimentación en tiempo real intraoperatoria de la extensión de la cirugía.

Debe hacerse hincapié en que la imagen NIRF requiere el uso de colorantes fluorescentes. Idealmente, los colorantes fluorescentes se deben utilizar que emiten fotones en el rango espectral del infrarrojo cercano (650 a 900 nm) para minimizar la absorción y la dispersión de fotones por moléculas fisiológicamente abundantes en el tejido (por ejemplo, hemoglobina, lípidos, elastina, colágeno, y agua) ^10,11. Por otra parte, la autofluorescencia (es decir, la actividad de fluorescencia intrínseca en los tejidos debido a las reacciones bioquímicas en las células vivas) se reduce al mínimo en el rango espectral del infrarrojo cercano, resultando en óptimas proporciones tumor a fondo ^11. Conjugando NIRF tiñe de tumor-targerestos TED (por ejemplo, anticuerpos monoclonales), la administración dirigida de los tintes fluorescentes se pueden obtener para aplicaciones de imágenes intraoperatorias.

Como el ojo humano es insensible a la luz en el rango espectral del infrarrojo cercano, se requiere un dispositivo de cámara altamente sensible para la formación de imágenes NIRF. Varios sistemas de imágenes NIRF para uso intraoperatorio se han desarrollado hasta el momento ^12. En el presente estudio, se utilizó un sistema de imagen de generación personalizada NIRF que fue desarrollado para la aplicación intraoperatoria en colaboración con la Universidad Técnica de Munich. El sistema permite la adquisición simultánea de imágenes en color e imágenes de fluorescencia. Para mejorar la exactitud de las imágenes de fluorescencia, un esquema de corrección se aplica para las variaciones en la intensidad de la luz en el tejido. Una descripción detallada se proporciona por Themelis et al. ¹³

Protocolo

1. Crear Silicona Moldes para Inclusiones Tumor-simulando

1. Recoge objetos sólidos de la forma deseada y el tamaño que puede servir de modelo para las inclusiones de tumores simular, por ejemplo, cuentas o bolitas.
2. Limpiar a fondo los modelos de tumores. Para asegurar una fácil extracción del molde de silicona, los modelos tumorales pueden ser rociadas con spray anti-adherente o cubiertas con una capa delgada de vaselina o cera de abejas.
3. Coloque cada modelo en una plaza amurallada delgada caja separada (plástico) con una superficie lisa. Si es necesario, fijar el modelo en la parte inferior de la caja para mantenerla en posición. Utilice una caja que es ligeramente más grande que el modelo de tumor en sí para evitar el desperdicio de cantidades excesivas de silicona.
4. Vierta la cantidad requerida de componente de silicona A en un bol y añadir el componente de silicona B en una proporción de 10: 1 en peso. Mezclar bien ambos componentes. Opcionalmente, una bomba de vacío se puede utilizar para eliminar las burbujas de aire de la mezcla de silicona.
5. Suavemente pour la mezcla de silicona en la caja de plástico para evitar que queden atrapadas burbujas de aire. La mezcla de silicona debe ser procesada dentro de 45 minutos para obtener resultados óptimos.
6. Deje que la mezcla de silicona solidifique durante al menos 6 horas antes de cortar el molde y retirar el modelo de tumor. Opcionalmente, el molde de silicona puede ser cortado en un patrón de zigzag para permitir que se ajuste de nuevo juntos limpiamente. La fuerza máxima de la silicona se obtiene después de 3 días.

2. Crear una Solución salina tamponada con Tris

1. Crear una solución salina tamponada con Tris (TBS) mediante la adición de solución de 6,1 g (50 mM) y 8,8 g de Tris (150 mM) NaCl a 800 ml de agua desionizada.
2. Añadir 1,0 g (15 mmoles) de NaN ₃ para bloquear la oxigenación de la hemoglobina (paso 3.3 y 4.4) y para inhibir el crecimiento bacteriano. PRECAUCIÓN: NaN ₃ es un veneno grave. Puede ser fatal en contacto con la piel o por ingestión. La toxicidad de este compuesto es comparable a la de cianuros alcalinos solubles y la dosis letal para un humano adultoes de aproximadamente 0,7 g. Siempre siga las instrucciones de seguridad según lo previsto por el fabricante.
3. Ajustar el pH a 7,4 y llevar el volumen a 1000 ml con agua desionizada.

3. Crear fluorescentes Inclusiones

1. Añadir 2 g de agarosa a 50 ml de TBS desde el paso 2. El punto de fusión más alto de agarosa en comparación con la gelatina (paso 4.2) impedirá que las inclusiones de la disolución y la fuga de colorante fluorescente cuando se coloca en gelatina fundida. Opcionalmente, la cantidad de agarosa añadido puede ser alterada para 1 o 3 g para obtener más blandos palpables o inclusiones tumorales, respectivamente.
2. Calentar la suspensión de agarosa usando un horno de microondas hasta que se alcanza el punto de ebullición. Mezcle bien hasta que la agarosa se disuelva completamente.
3. Añadir 1,1 g (17 mmol) de hemoglobina y 5 ml de Intralipid 20% disuelto en 50 ml de TBS a la mezcla de agarosa con agitación constante para asemejarse a las características ópticas del tejido circundante del pecho fantasma (paso 4).
4. Añadir 20,0 mg (250,8 mol) del colorante fluorescente verde de indocianina a 83,8 ml de agua desionizada. Asegúrese de que el colorante se disuelve completamente.
5. Pipetear 5,0 ml de esta solución y agregarla a la mezcla de agarosa para obtener una concentración final de 14 mM. Opcionalmente, otros tintes fluorescentes que ICG se pueden utilizar si se desea con su propio concentración óptima.
6. Llenar con cuidado los moldes de silicona creados en el paso 1 con la mezcla de agarosa caliente usando una jeringa (Figura 1A). Repita este proceso hasta que se hayan cubierto todos los moldes.
7. Deje que las inclusiones fluorescentes se solidifican a temperatura ambiente durante aproximadamente una hora. Proteja las inclusiones de luz cubriendo todo el molde con papel de aluminio.
8. Después de la solidificación, abrir suavemente el molde y presione a cabo la inclusión (Figura 1B). Opcionalmente, utilice la punta de la jeringa para aplicar pequeñas gotas de mezcla de agarosa fundida en la superficie de la inclusión. Al repetir este proceso varias veces en la misma ubicación, pequeña maespuelas mor se pueden crear para simular tumores infiltrantes.
9. Proteja las inclusiones de agarosa de la luz y la deshidratación envolviéndolos en papel de aluminio y almacenarlos en un contenedor de almacenamiento húmeda a 4 ° C.
   NOTA: El uso de concentraciones de colorante fluorescentes inferiores o superiores a la óptima concentración conocida voluntad tanto resultado de la intensidad de la señal fluorescente disminuida. La reducción aparentemente contradictorio en intensidad de la señal con el aumento de concentraciones de colorante por encima de la concentración de colorante fluorescente es óptima debido a un fenómeno conocido como enfriamiento brusco. Al evaluar la profundidad de penetración máxima de un tinte fluorescente en fantasmas, utilizando la concentración óptima es obligatorio.

4. Crear Phantoms mama

1. Obtener un molde con forma de copa para crear fantasmas de mama del tamaño deseado y el volumen, por ejemplo, un recipiente de vidrio o plástico. El molde debe tener una superficie lisa para evitar la forma de gelatina se adhiere al molde. A volum moldee de 500 ml creará fantasmas de mama de tamaño suficiente.
2. Para crear un fantasma de mama con un volumen de 500 ml, añadir 50 g de gelatina 250 bloom a 500 ml de TBS (paso 2). Calentar la suspensión de gelatina a 50 ° C bajo agitación constante.
3. Una vez que la gelatina se disuelva por completo, dejar que la mezcla de la gelatina enfríe gradualmente y mantenerlo a una temperatura constante de 35 ° C usando un baño de agua caliente.
4. Bajo agitación constante, añadir 5,5 g (85 mmol) de hemoglobina bovina y 25 ml de Intralipid 20% para simular la absorción y la dispersión de los fotones en el tejido, respectivamente.
5. Preenfriado el molde en forma de copa a 4 ° C durante al menos 1 h. A continuación, se vierte la mezcla de la gelatina en el molde a un nivel que corresponde a la profundidad predefinida de la inclusión de tumores simulando de agarosa (Figura 1C). Deje que la mezcla de la gelatina solidificar a 4 ° C durante 30 minutos a una hora.
6. Después de la solidificación, posicionar un fluorescente inclusión de agarosa-simulando tumor en la superficie de el fantasma y temporalmente fijan la inclusión con una pequeña aguja. Hasta un máximo de tres inclusiones fluorescentes tumorales de simulación se pueden incorporar en un solo fantasma mama. Espacio suficiente (por lo menos 5 cm) debe mantenerse entre inclusiones tumorales-simulando individuales (Figura 1D).
7. Verter el resto de la mezcla de gelatina caliente en el volumen restante del molde, lo que permite la adherencia de ambas capas sin crear artefactos de refracción. Marque la ubicación de las inclusiones de tumores simulando fluorescentes en el molde. Que el fantasma solidificar O / N a 4 ° C.
8. Una vez solidificado, retire las agujas usadas para la fijación temporal de las inclusiones y retire suavemente el fantasma del pecho de su molde (Figura 1E). Proteja el fantasma de mama de la luz y la deshidratación envolviéndolo en papel de aluminio y guárdelo en un recipiente de almacenamiento humidificada a 4 ° C.

ure 1 "fo: contenido-width =" "src =" 5in / files / ftp_upload / 51776 / 51776fig1highres.jpg "width =" 500 "/>
Figura 1. etapas secuenciales de la creación de fantasmas de mama que contienen inclusiones de tumores simulando fluorescentes. Después de crear moldes de silicona de la forma y tamaño deseados, los moldes se llenan con la mezcla de agarosa derretida usando una jeringa (A). Inclusiones tumorales-simulando de diferente tamaño y forma se produjeron en el estudio actual (B). A continuación, una capa delgada de la mezcla de gelatina fundida se vierte en un molde de madera recubierto de mama personalizado (C). Después de la solidificación, las inclusiones de tumores simulando están posicionados, fijada temporalmente, y se cubren con otra capa de la mezcla de gelatina fundida (D). Después de la solidificación, el fantasma de mama se retira suavemente de su molde (E). El fantasma se puede aplicar para la simulación de diferentes aplicaciones de imagen NIRF (F).ref = "archivos / ftp_upload / 51776 / 51776fig1highres.jpg /" target = "_blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

5. Ajuste el sistema de cámara NIRF

1. Se requiere un sistema de cámaras de NIRF para la aplicación intraoperatoria para la simulación de imágenes NIRF apuntado en la cirugía del cáncer de mama. Varios sistemas de imágenes NIRF para imágenes NIRF intraoperatoria en tiempo real están disponibles actualmente para su uso en investigación. Aunque existen algunas diferencias entre estos dispositivos, todos ellos contienen una fuente de luz de excitación (para la excitación de las inclusiones fluorescentes tumorales) y un dispositivo de formación de imágenes de alta sensibilidad para la detección de fotones emitidos.
2. Asegúrese de utilizar una fuente de luz de excitación de una longitud de onda suficiente. Para inclusiones de tumores que contienen la simulación de ICG, utilizar una fuente de luz de excitación (por ejemplo, láser) que emite fotones entre 750 y 800 nm. Si se usa un colorante fluorescente alternativa, la longitud de onda de excitación se debe ajustar conforman la ma instrucciones del nufacturer.
3. En caso de que el sistema de cámaras de NIRF contiene un filtro de emisión para filtrar las señales de fondo no deseados, asegúrese de que se utiliza el filtro correcto. Para inclusiones tumorales-simulando que contienen ICG, utilice un filtro de emisión entre 800 y 850 nm. Colorantes fluorescentes alternativas pueden requerir diferentes filtros de emisión, dependiendo de las instrucciones de los fabricantes.
   NOTA: Asegúrese de que no es cero superposición entre la excitación y las longitudes de onda de emisión para evitar imágenes sobresaturadas. Además, el tiempo de adquisición de la imagen podría tener que ser ajustada para obtener imágenes fluorescentes óptimos. En el caso de inclusiones fluorescentes profundamente arraigadas o señales fluorescentes débiles, tiempo de adquisición de la imagen se puede aumentar hasta varios segundos a min. En el caso de inclusiones superficiales o señales fluorescentes fuertes, el tiempo de adquisición se puede disminuir hasta varios milisegundos para permitir la formación de imágenes de fluorescencia de velocidad de vídeo en tiempo real.

e "> 6. Simulación de Aplicaciones NIRF de imagen en la cirugía del cáncer de mama

1. Tome el fantasma de mama con simulación de tejidos de su recipiente y colocarlo en una superficie plana no fluorescente. A continuación, coloque el dispositivo de imágenes NIRF encima del fantasma del pecho, dejando una distancia de trabajo suficiente para la escisión de las inclusiones de tumores simulando.
2. Localizar la inclusión fluorescente tumor-que simula el uso de imágenes y / o la palpación de la mama fantasma NIRF. En caso de no señal fluorescente se puede detectar, la inclusión se coloca ya sea demasiado profunda en el espectro para la detección o el tiempo de adquisición de la imagen se debe aumentar.
3. Una vez que la inclusión se localiza, una incisión en la mama fantasma y eliminar la inclusión tumor-simulando en tiempo real NIRF-orientación mediante instrumentos quirúrgicos convencionales. Por otra parte, la inclusión puede ser extirpado conducida sólo por inspección visual y palpación de la mama fantasma para simular el estándar de atención.
4. Directamente después de la eliminaciónla inclusión de tumor-simulando, la imagen de la cavidad quirúrgica para cualquier actividad fluorescente restante indicando la escisión inadecuada.
5. En caso de cualquier actividad fluorescente restante, cortar el remanente inclusión bajo la guía directa NIRF hasta que no quede ninguna señal fluorescente.
6. Imagen de los fragmentos extirpados fantasma para simular la evaluación del estado margen macroscópico guiada por NIRF. A este fin, cortar el tejido fantasma en 3 - 5 placas mm y la imagen de las placas en consecuencia. La señal de fluorescencia que alcanza en los márgenes quirúrgicos indica la existencia de márgenes quirúrgicos positivos.

Resultados

Los resultados de este estudio han sido reportados previamente en otro lugar ^9.

Nuestros datos muestran que la imagen NIRF se puede aplicar para detectar inclusiones tumorales-simulando fluorescentes en fantasmas en periodo de simulación de tejidos, la simulación de la cirugía conservadora de la mama guiada por NIRF en pacientes con cáncer de mama. Usando nuestro modelo fantasma, encontramos localización intraoperatoria del tumor, la resección del tumor guiada por NIRF, la e...

Discusión

Hemos simulado potenciales aplicaciones clínicas de BCS guiadas-NIRF a través de la utilización de fantasmas de mama en forma de inclusiones con tumores simulando integrados. Localización intraoperatoria del tumor, la resección tumoral guiada por NIRF, la evaluación de la extensión de la cirugía, y la evaluación postoperatoria de los márgenes quirúrgicos fueron encontrados factible el uso de un sistema de cámaras de NIRF costumbre-construir. La detección no invasiva de inclusiones fluorescentes simulando tu...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Bovine hemoglobin	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	H2500	Simulates absorption of photons in tissue
Intralipid 20%	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	I141	Simulates scattering of photons in tissue
Silicone A translucent 40 (2-components poly-addition silicone)	NedForm, Geleen, The Netherlands		Package consists of components A and B, that should be mixed one on one (A:B=10:1).  Link to manufacturers page: http://tinyurl.com/ncjq7jx
Gelatine 250 Bloom	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	48724	Construction of breast-shaped phantoms
Agarose	Hispanagar, Burgos, Spain		Construction of tumor-simulating inclusions
Tris	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	T1503
HCl	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	258148
NaCl	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, The Netherlands	S9888
NaN3	Merck, Darmstadt, Germany	822335	CAUTION: severe poison. The toxicity of this compound is comparable to that of soluble alkali cyanides and the lethal dose for an adult human is about 0.7 grams.
Examples of NIRF imaging devices for intraoperative application:
T2 NIRF imaging platform	SurgVision BV, Heerenveen, The Netherlands		Customized NIRF imaging system used in the current study. More details available at www.surgvision.com
Photodynamic Eye	Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH, Herrsching am Ammersee, Germany	PC6100	www.iht-ltd.com
FLARE imaging system kit	The FLARE Foundation Inc, Wayland, MA, USA		www.theflarefoundation.org
Fluobeam	Fluoptics, Grenoble, France		www.fluoptics.com
Artemis handheld camera	Quest Medical Imaging BV, Middenmeer, the Netherlands		www.quest-mi.com
Examples of NIRF fluorescent dyes for intraoperative application:
Indocyanine green	ICG-PULSION,  Feldkirchen, Germany	PICG0025DE	Clinical grade fluorescent dye for NIRF imaging used in the current study. More details available at www.pulsion.com
IRDye 800CW NHS Ester	LI-COR Biosciences, Lincoln, NE, USA	929-70021	www.licor.com