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Method Article
Este protocolo fue diseñado para entrenar un algoritmo de aprendizaje automático para utilizar una combinación de parámetros de imagen derivados de la resonancia magnética (RM) y la tomografía por emisión de positrones/tomografía computarizada (PET/CT) en un modelo de rata de metástasis óseas de cáncer de mama para detectar enfermedades metastásicas tempranas y predecir la progresión posterior a macrometastasas.
Los algoritmos de aprendizaje automático (ML) permiten la integración de diferentes características en un modelo para realizar tareas de clasificación o regresión con una precisión superior a sus componentes. Este protocolo describe el desarrollo de un algoritmo de ML para predecir el crecimiento de macrometastas óseas de cáncer de mama en un modelo de rata antes de que cualquier anomalía sea observable con métodos de diagnóstico por imágenes estándar. Este algoritmo puede facilitar la detección de la enfermedad metastásica temprana (es decir, micrometastasis) que se olvida regularmente durante los exámenes de ensayo.
El modelo de metástasis aplicado es específico del sitio, lo que significa que las ratas desarrollan metástasis exclusivamente en su pata trasera derecha. La tasa de toma de tumores del modelo es del 60%-80%, con macrometastasas cada vez más visibles en la resonancia magnética (RM) y la tomografía por emisión de positrones / tomografía computarizada (PET/CT) en un subconjunto de animales 30 días después de la inducción, mientras que un segundo subconjunto de animales no presentan crecimiento tumoral.
A partir de los exámenes de imagen adquiridos en un punto de tiempo anterior, este protocolo describe la extracción de características que indican la vascularización tisular detectada por la RMN, el metabolismo de la glucosa por PET/CT y la posterior determinación de las características más relevantes para la predicción de la enfermedad macrometastática. Estas características se introducen en una red neuronal promediada por modelos (avNNet) para clasificar a los animales en uno de dos grupos: uno que desarrollará metástasis y el otro que no desarrollará ningún tumor. El protocolo también describe el cálculo de parámetros de diagnóstico estándar, como la precisión general, la sensibilidad, la especificidad, los valores predictivos negativos/positivos, las relaciones de probabilidad y el desarrollo de una característica de funcionamiento del receptor. Una ventaja del protocolo propuesto es su flexibilidad, ya que se puede adaptar fácilmente para entrenar una gran cantidad de diferentes algoritmos de ML con combinaciones ajustables de un número ilimitado de características. Por otra parte, se puede utilizar para analizar diferentes problemas en oncología, infección, y la inflamación.
El propósito de este protocolo es integrar varios parámetros de imagen funcionales de RMN y PET/CT en un algoritmo de ML de red neuronal promediada por modelos (avNNet). Este algoritmo predice el crecimiento de macrometastasas en un modelo de rata de metástasis óseas de cáncer de mama en un punto de tiempo temprano, cuando los cambios macroscópicos dentro del hueso aún no son visibles.
Antes del crecimiento de las macrometastasas, se produce una invasión de la médula ósea de células tumorales diseminadas, comúnmente conocida como enfermedad micrometastática1,2. Esta invasión inicial se puede considerar un paso temprano en la enfermedad metastásica, pero por lo general se pierde durante los exámenes de estadificación convencionales3,,4. Aunque las modalidades de diagnóstico por imágenes actualmente disponibles no pueden detectar la microinvasión de la médula ósea cuando se utilizan solas, se ha demostrado que una combinación de parámetros de imagen que arroja información sobre la vascularización y la actividad metabólica funciona mejor5. Este beneficio complementario se logra combinando diferentes parámetros de imagen en un avNNet, que es un algoritmo de ML. Tal avNNet permite la predicción confiable de la formación de macrometastas óseas antes de que haya metástasis visibles. Por lo tanto, la integración de biomarcadores de imagen en un avNNet podría servir como parámetro sustituta para la microinvasión de médula ósea y la enfermedad metastásica temprana.
Para desarrollar el protocolo, se utilizó un modelo previamente descrito de metástasis óseas de cáncer de mama en ratas desnudas6,7,8. La ventaja de este modelo es su especificidad del sitio, lo que significa que los animales desarrollan metástasis óseas exclusivamente en su pata trasera derecha. Sin embargo, la tasa de toma de tumores de este enfoque es del 60%-80%, por lo que un número considerable de los animales no desarrollan metástasis durante el estudio. Utilizando modalidades de diagnóstico por imágenes como la RMN y el PET/CT, la presencia de metástasis es detectable a partir del día 30 postinyección (PI). En momentos anteriores (por ejemplo, 10 PI) las imágenes no distinguen entre los animales que desarrollarán la enfermedad metastásica y los que no (Figura 1).
Un avNNet capacitado en parámetros de imagen funcional adquiridos en el día 10 PI, como se describe en el siguiente protocolo, predice o excluye de forma fiable el crecimiento de macrometastasas en las siguientes 3 semanas. Las redes neuronales combinan nodos artificiales dentro de diferentes capas. En el protocolo de estudio, los parámetros de imagen funcional para el suministro de sangre de la médula ósea y la actividad metabólica representan la capa inferior, mientras que la predicción de la neoplasia maligna representa la capa superior. Una capa intermedia adicional contiene nodos ocultos que están conectados a la capa superior e inferior. La fuerza de las conexiones entre los diferentes nodos se actualiza durante el entrenamiento de la red para realizar la tarea de clasificación respectiva con alta precisión9. La precisión de una red neuronal de este tipo se puede aumentar aún más promediando las salidas de varios modelos, lo que resulta en un avNNet10.
Todos los procedimientos de cuidado y experimentalidad se realizaron de conformidad con la legislación nacional y regional en materia de protección animal, y todos los procedimientos animales fueron aprobados por el Gobierno del Estado de Franconia, Alemania (número de referencia 55.2 DMS-2532-2-228).
1. Inducción de metástasis óseas de cáncer de mama en la pata trasera derecha de ratas desnudas
NOTA: Una descripción detallada de la inducción de metástasis óseas de cáncer de mama en ratas desnudas se ha publicado en otroslugares 6,8. Los pasos más relevantes se presentan a continuación.
2. Resonancia magnética (RM)
NOTA: Para obtener una descripción detallada de los procedimientos de RMN, véase el archivo B-uerle et al.11.
3. Tomografía por emisión de positrones/tomografía computarizada (PET/CT)
NOTA: Para obtener una descripción detallada de los procedimientos de PET, consulte Cheng en al.12.
4. Estrategias de imagen alternativas
5. Análisis de RMN
6. Análisis PET/CT
7. Determinar la tasa de toma de tumores
8. Selección de características
9. Análisis de ML
10. Capacitación de un algoritmo avNNet ML
11. Análisis de los resultados del algoritmo de ML
12. Comparación de la curva de característica operativa receptora (ROC) del modelo final con las curvas ROC de sus parámetros constituyentes
Las ratas se recuperaron rápidamente de la cirugía y la inyección de las células de cáncer de mama MDA-MB-231 y luego fueron sometidas a imágenes de RM- y PET/CT en los días 10 y 30 PI (Figura 1). En la Figura 2Ase presenta un análisis representativo de DCE de la tibia proximal derecha de una rata. Las mediciones sin procesar DCE se guardaron seleccionando el botón"Exportar"y eligiendo "DCEraw.txt" como nombre de archivo.
Los algoritmos de ML son potentes herramientas utilizadas para integrar varias características predictivas en un modelo combinado y obtener una precisión que supera la de sus componentes independientes cuando se usan solos. Sin embargo, el resultado real depende de varios pasos críticos. En primer lugar, el algoritmo de ML utilizado es un factor crucial, porque diferentes algoritmos de ML producen resultados diferentes. El algoritmo utilizado en este protocolo es un avNNet, pero otros algoritmos prometedores incluyen ...
Los autores no declaran ningún conflicto de intereses. Los financiadores no tuvieron ningún papel en el diseño del estudio; en la recopilación, análisis o interpretación de datos; en la escritura del manuscrito, o en la decisión de publicar los resultados.
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG, Centro de Investigación Colaborativa CRC 1181, subproyecto Z02; Programa prioritario, proyectos BA 4027/10-1 y BO 3811), incluyendo soporte adicional para los dispositivos de escaneo (INST 410/77-1 FUGG e INST 410/93-1 FUGG), y por la Iniciativa de Campos Emergentes (EFI) "Big Thera" de la Friedrich-Alexander-University Erlangen-N-rnberg.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Binocular Operating Microscope | Leica | NA | |
ClinScan MR System | Bruker | NA | |
DICOM Viewer | Horos | NA | www.horosproject.org |
Excel: Spreadsheet | Microsoft | NA | |
FCS | Sigma | F2442-500ML | |
Gadovist | Bayer-Schering | NA | |
Inveon PET/CT | Siemens | NA | |
Inveon Research Workplace Software | Siemens Healthcare GmbH | NA | |
IVIS Spectrum | PerkinElmer | NA | |
MDA-MB-231 human breast cancer cells | American Type Culture Collection | N/A | |
Open-source data visualization, machine learning and data mining toolkit. | Orange3, University of Ljubljana | NA | https://orange.biolab.si/ |
RPMI-1640 | Invitrogen/ThermoFisher | 11875093 | |
Trypsin | Sigma | 9002-07-7 | |
Vevo 3100 | VisualSonics | NA |
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