Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.
Method Article
Nous présentons ici un protocole pour effectuer une radiothérapie préclinique basée sur la tomographie par émission de positons dans un modèle de glioblastome de rat à l’aide d’algorithmes développés en interne pour optimiser la précision et l’efficacité.
Un modèle de glioblastome de rat pour imiter le traitement chimio-radiothérapie du glioblastome humain en clinique a déjà été établi. À l’instar du traitement clinique, la tomodensitométrie (TDM) et l’imagerie par résonance magnétique (IRM) ont été combinées au cours du processus de planification du traitement. L’imagerie par tomographie par émission de positons (TEP) a ensuite été ajoutée pour mettre en œuvre l’amplification du sous-volume à l’aide d’un système de micro-irradiation. Cependant, la combinaison de trois modalités d’imagerie (tomodensitométrie, IRM et TEP) à l’aide d’un système de micro-irradiation s’est avérée laborieuse, car l’imagerie multimodale, la planification du traitement et l’administration des doses doivent être effectuées séquentiellement dans le cadre préclinique. Il en résulte également un flux de travail plus sujet aux erreurs humaines. Par conséquent, un algorithme convivial pour optimiser davantage la planification de la radiothérapie basée sur l’imagerie multimodale préclinique a été mis en œuvre. Cet outil logiciel a été utilisé pour évaluer la précision et l’efficacité de la radiothérapie par peinture de dose avec micro-irradiation à l’aide d’un plan d’étude in silico . La nouvelle méthodologie pour la radiothérapie par peinture de dose est supérieure à la méthode décrite précédemment en termes de précision, d’efficacité temporelle et de variabilité intra- et inter-utilisateurs. Il s’agit également d’une étape importante vers la mise en œuvre de la planification du traitement inverse sur les micro-irradiateurs, où la planification prospective est encore couramment utilisée, contrairement aux systèmes cliniques.
Le glioblastome (GB) est une tumeur cérébrale primitive maligne et très agressive. Gb est une tumeur hétérogène solide généralement caractérisée par des limites infiltrantes, une atypie nucléaire et une nécrose1. La présence de la barrière hémato-encéphalique et le statut du cerveau en tant que site immuno-privilégié font de la découverte de nouvelles cibles pour la chimiothérapie et l’immunothérapie une tâche ardue2,3,4. Il est à noter que le traitement des patients atteints de GB a à peine changé depuis l’introduction, en 2005, du protocole Stupp qui combine la radiothérapie par faisceau externe (RT) avec le témozolomide concomitant, généralement suivi du témozolomide adjuvant5. En règle générale, le protocole Stupp est précédé d’une résection chirurgicale maximale. Par conséquent, les approches de traitement alternatives sont d’une importance cruciale.
La radiothérapie actuelle pour les patients atteints de glioblastome délivre une dose de rayonnement uniforme au volume tumoral défini. En radio-oncologie, il existe une corrélation dose-réponse importante pour le glioblastome avec une dose croissante, qui semble plafonner autour de 60 Gy, en raison d’une toxicité accrue pour le cerveau normal6,7. Cependant, les tumeurs peuvent être très (radiobiologiquement) hétérogènes, avec des gradients de niveau d’oxygène et/ou de grandes différences de densité cellulaire. Les techniques d’imagerie métabolique, telles que la TEP, peuvent visualiser ces caractéristiques biologiques et peuvent être utilisées pour personnaliser la prescription de dose. Cette approche est connue sous le nom de peinture de dose RT. Ce terme a été introduit par Ling et al. en 2000. Les auteurs ont défini la RT de peinture de dose comme produisant « des distributions de dose extrêmement conformes dans les contraintes de propagation et de diffusion du rayonnement »8.
Il existe deux types de peinture de dose RT, la peinture de dose par contours (DPBC), par laquelle une dose est prescrite à un ensemble de sous-volumes imbriqués, et la peinture de dose par nombres (DPBN), par laquelle une dose est prescrite au niveau du voxel. La distribution de dose pour DPBN RT peut être extraite à partir d’images fonctionnelles. La dose dans chaque voxel est déterminée par l’intensité I du voxel correspondant dans l’image, avec une limite inférieure et supérieure, pour s’assurer que, d’une part, une dose suffisante est administrée à chaque partie de la tumeur. D’autre part, les doses ne dépassent pas une limite supérieure pour protéger les organes à risque et éviter la toxicité. La méthode la plus simple est une interpolation linéaire (voir Eq. 1) entre la dose minimale Dmin et la dose maximale Dmax, variant proportionnellement entre l’intensité minimale Imax et l’intensité maximale dans le volume cible9,10
Eq. 1
Parce qu’il y a un certain scepticisme quant à l’assurance de la qualité de DPBN RT, le dépôt de la dose devrait être vérifié par la recherche préclinique et clinique10. Cependant, seules des données limitées peuvent être obtenues à partir d’essais cliniques, et il a été émis l’hypothèse que davantage d’informations peuvent être obtenues en réduisant la taille d’échelle aux animaux de laboratoire11,12. Par conséquent, les études précliniques utilisant des plates-formes de recherche sur les rayonnements guidés par l’image de précision qui permettent le couplage avec certaines techniques très spécifiques, telles que l’autoradiographie, sont adaptées pour examiner les questions en suspens et ouvrir la voie à la médecine personnalisée et à de nouvelles stratégies de traitement, telles que la peinture de dose RT13,14. Cependant, l’interprétation des données précliniques doit être effectuée avec prudence et les inconvénients de ces configurations précliniques doivent être pris en compte14.
Les systèmes de micro-irradiation, tels que la Small Animal Radiation Research Platform (SARRP), sont équipés de technologies similaires à celles de leur homologue clinique. Ils comprennent l’imagerie CT à faisceau conique (CBCT) embarquée, un système de planification de traitement préclinique (PCTPS) et offrent une précision submillimétrique. Les calculs de dose clinique sont effectués par planification inverse du traitement, par laquelle on commence à partir de la distribution de dose souhaitée pour déterminer les faisceaux via un algorithme itératif. Les irradiateurs précliniques utilisent souvent la planification prospective. Dans la planification prospective, la quantité et l’angle requis des faisceaux sont sélectionnés, et le PCTPS calcule ensuite la distribution de la dose. L’optimisation des plans est effectuée par itération manuelle, ce qui nécessite beaucoup de main-d’œuvre15.
Après 2009, de nouveaux développements ont rendu possible la mise en œuvre de la planification inverse sur ces plateformes de recherche16,17,18. Pour augmenter la similitude avec la méthode clinique, un collimateur rectangulaire variable motorisé (MVC) a été développé comme contrepartie préclinique du collimateur à feuilles multiples. Une méthode de peinture à dose bidimensionnelle utilisant un collimateur variable a été publiée par Cho et al.19. Ce groupe de recherche a mis en œuvre un protocole de planification de traitement inverse tridimensionnel (3D) sur un micro-irradiateur et a déterminé les doses minimales et maximales pour le volume cible et une dose maximale pour les organes à risque. Ces techniques ont été principalement évaluées in silico et leurs applications précliniques doivent être explorées.
Cet article présente une étude in silico pour comparer deux méthodologies pour la peinture à dose à base de PET [18F]-fluoro-éthyl-L-tyrosine ([18F]FET) dans un modèle de rat GB20,21,22 à l’aide d’une plate-forme de recherche sur les rayonnements de petits animaux. Ces deux méthodologies sont (1) l’amplification du sous-volume à l’aide de tailles de faisceau prédéfinies et (2) la peinture de dose à l’aide d’un collimateur variable motorisé où les dimensions de la mâchoire sont modifiées en fonction de l’absorption du traceur PET dans le volume tumoral. [18F] Le FET est un traceur TEP souvent utilisé en neuro-oncologie en raison de sa capacité à détecter les tumeurs cérébrales23. [18F] Le FET est un acide aminé artificiel qui est internalisé dans les cellules tumorales mais pas incorporé dans les protéines cellulaires. [18F] L’absorption du FET correspond au taux de prolifération cellulaire, à la densité des cellules tumorales et à l’angiogenèse24. Comme il s’agit du traceur TEP cérébral oncologique le plus couramment utilisé dans l’institut de ces auteurs, ce radiotraceur a été choisi pour évaluer le nouveau flux de travail.
L’étude a été approuvée par le comité d’éthique local pour l’expérimentation animale (ECD 18/21). La surveillance de l’anesthésie est effectuée en acquérant la fréquence respiratoire des animaux à l’aide d’un capteur.
1. Modèle de cellule de rat F98 GB
2. Confirmation de la croissance tumorale
3. Imagerie multimodale de la sélection du volume cible
REMARQUE : L’irradiation guidée par TEP/IRM nécessite l’acquisition séquentielle d’un ensemble de données multimodales. Après l’administration intraveineuse du radiotraceur, l’imagerie TEP est commencée, suivie d’une IRM pondérée T1 améliorée par contraste et enfin d’une tomodensitométrie de planification du traitement.
4. Co-enregistrement de l’image
REMARQUE: La co-inscription est effectuée avec un code MATLAB semi-automatique développé en interne. Le code peut être trouvé sur Github à https://github.com/sdonche/DosePainting. Les différentes étapes sont décrites ci-dessous.
5. Planification de la radiothérapie
REMARQUE : Une application MATLAB et plusieurs scripts MATLAB ont été écrits pour la planification de la radiothérapie. Le code peut être trouvé sur Github à https://github.com/sdonche/DosePainting. Les différentes étapes sont expliquées ci-dessous.
6. Évaluation du plan
REMARQUE: Pour comparer les deux méthodes, calculez les histogrammes dose-volume (DVH) et l’histogramme Q-volume (QVH) dans le volume PET V50. Ici, un script MATLAB, développé en interne, a été utilisé. Le code peut être trouvé sur Github à https://github.com/sdonche/DosePainting.
La faisabilité de l’irradiation guidée par TEP et IRM dans un modèle de rat glioblastome utilisant le SARRP pour imiter la stratégie de traitement humain a déjà été décrite20,21,22. Alors que l’animal était fixé sur un lit multimodal fabriqué en interne, il a été possible de créer un plan de radiothérapie acceptable combinant trois modalités d’imagerie: TEP, IRM et CT. Dans ces méthodes, un progiciel exte...
Un modèle GB de rat pour imiter le traitement de chimiothérapie-radiothérapie en clinique pour les patients atteints de glioblastome a été précédemment décrit20. Semblable à la méthode clinique, la tomodensitométrie et l’IRM ont été combinées au cours du processus de planification du traitement pour obtenir une irradiation plus précise. Un lit multimodal pour minimiser les mouvements (de la tête) a été utilisé lorsque l’animal a été déplacé d’un système d’imagerie ?...
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
Les auteurs tiennent à remercier la Fondation Lux Luka pour son soutien à ce travail.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Cell culture | |||
F98 Glioblastoma Cell Line | ATCC | CRL-2397 | https://www.lgcstandards-atcc.org/products/all/CRL-2397 |
Dulbeco's Modified Eagle Medium | Thermo Fisher Scientific | 22320-030 | |
Cell culture flasks | Thermo Fisher Scientific | 178883 | 75 cm² |
FBS | Thermo Fisher Scientific | 10270106 | |
L-Glutamine | Thermo Fisher Scientific | 25030-032 | 200 mM |
Penicilline-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-148 | 10,000 U/mL |
Phosphate-Buffered Saline (PBS) | Thermo Fisher Scientific | 14040-224 | |
Trypsin-EDTA | Thermo Fisher Scientific | 25300-062 | 0.05% |
GB Rat Model | |||
Ball-shaped burr | Foredom | A-228 | 1.8 mm |
Bone Wax | Aesculap | 1029754 | https://www.aesculapusa.com/en/healthcare-professionals/or-solutions/or-solutions-cranial-closure/hemostatic-bone-wax.html |
Ethilon | Ethicon | 662G/662H | FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm |
Fischer F344/Ico crl Rats | Charles River | - | |
Insulin Syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29 G |
IR Lamp | Philips | HP3616/01 | |
Meloxicam (Metacam) | Boehringer Ingelheim | - | 2 mg/mL |
Micromotor rotary tool | Foredom | K.1090-22 | |
Micropump system | Stoelting Co. | 53312 | Stoelting Stereotaxic Injector |
Stereotactic frame | Stoelting Co. | 51600 | |
Xylocaine (1%, with adrenaline 1:200,000) | Aspen | - | 1%, with adrenaline 1:200,000 |
Xylocaine gel (2%) | Aspen | - | 2% |
Animal Irradiation | |||
Micro-irradiator | X-Strahl | SARRP | Version 4.2.0 |
Software | X-Strahl | Muriplan | Preclinical treatment planning system (PCTPC), version 2.2.2 |
Small Animal PET | |||
[18F]FET | Inhouse made | - | PET tracer; along with Prohance: MRI/PET agent |
Micro-PET | Molecubes | Beta-Cube | https://www.molecubes.com/b-cube/ |
Small Animal MRI | |||
Micro-MRI | Bruker Biospin | Pharmascan 70/16 | https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan.html |
30 G Needle for IV injection | Beckton-Dickinson | 305128 | |
PE 10 Tubing | Instech Laboratories Inc | BTPE-10 | BTPE-10, polyethylene tubing 0.011 x 0.024 in (0.28 x 60 mm), non sterile, 30 m (98 ft) spool, Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA- (800) 443-4227- http://www.instechlabs.com |
Prohance contrast agent | Bracco Imaging | - | 279.3 mg/mL, gadolinium-contrast agent (along with [18F]FET: MRI/PET agent) |
Tx/Rx Rat Brain - Mouse Whole Body Volumecoil | Bruker Biospin | - | 40 mm diameter |
Water-based Heating Unit | Bruker Biospin | MT0125 | |
Consumables | |||
Isoflurane | Zoetis | B506 | Anesthesia |
Insulin Syringe Microfine | Beckton-Dickinson | 320924 | 1 mL, 29 G |
Image Analysis | |||
MATLAB | Mathworks | - | Version R2019b |
PMOD | PMOD technologies LLC | Preclinical and molecular imaging software |
Demande d’autorisation pour utiliser le texte ou les figures de cet article JoVE
Demande d’autorisationThis article has been published
Video Coming Soon