乳がん手術における潜在的近赤外蛍光イメージングアプリケーションを評価するための組織シミュレーファントム

要約

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.

要約

術中腫瘍局在と乳房温存手術（BCS）の準最適な転帰における切除縁の状態結果の評価の不正確。光学イメージングは​​、特定の近赤外蛍光（NIRF）イメージングにおいて、リアルタイムで前後術中腫瘍局在のためのツールを外科医に提供することにより、BCS以下の正の切除縁の頻度を減らすことがあります。現在の研究では、NIRFガイドBCSの電位は、標準化の理由から、研修の目的のために組織シミュレー乳房ファントムを用いて評価する。

正常な乳房組織に匹敵する光学特性を有する乳房ファントムは、乳房温存手術をシミュレーションするために使用された。蛍光色素インドシアニングリーン（ICG）を含む腫瘍シミュレー介在物は、所定の場所でファントムに組み込まれ、前および術中腫瘍局在のために画像化され、リアルタイムのNIRF誘導腫瘍切除、NIRF誘導された手術の程度の評価、および切除縁の術後評価。カスタマイズされたNIRFカメラが画像化目的のための臨床プロトタイプとして使用した。

腫瘍シミュレー介在物を含む乳ファントムは術中腫瘍イメージングをシミュレートし、評価するための、シンプルで安価、かつ汎用性の高いツールを提供します。ゼラチン状のファントムは、人体組織に類似した弾性特性を有し、従来の手術器具を用いて切断することができる。また、ファントムは、それぞれ、光子の吸収と散乱を模倣するヒトの乳房組織に似て均一な光学特性を作成するためのヘモグロビンおよびイントラリピッドを含んでいる。落射照明戦略と深部の腫瘍の（非侵襲的）イメージングを妨げる組織内を伝播する際にNIRFイメージングの主な欠点は、光​​子の限られた浸透深さである。

概要

放射線療法、続いて乳房温存手術（BCS）は_、T1-T2乳癌^1,2と乳癌患者のための標準的な治療である。追加の外科的介入または放射線療法の^3,4,5を必要^とする 、BCSを受けた患者20〜40％において陽性の切除マージンの手術結果の程度を術中評価の不正確。隣接する健康な乳房組織の広範な切除が陽性の切除マージンの頻度を減らすかもしれないが、これはまた、美容上の結果を妨げると併存疾患^6,7が増加^します。新規の技術は、従って原発腫瘍の位置および手術の程度に術中フィードバックを提供することが必要とされている。光学イメージングは​​、特定の近赤外蛍光（NIRF）イメージングにおいて、rにおける前および術中腫瘍局在のためのツールを外科医に提供することにより、BCS以下の正の切除縁の頻度を減らすかもしれないEAL時間。最近、私たちのグループは、高感度⁸で原発腫瘍および腹腔内転移を検出するために、この技術の実現可能性を示す、卵巣癌患者における腫瘍標的蛍光イメージングの最初のヒト臨床試験について報告した。乳癌患者における臨床試験に進む前に、しかしながら、BCS内のさまざまな腫瘍標的NIRFイメージングアプリケーションの実現可能性は、すでに前臨床ファントムを用いて評価することができる。

以下の研究プロトコルは、蛍光腫瘍シミュレー介在物^9を含む組織模擬乳房ファントム内NIRFイメージングの使用を記載している。ファントムは前および術中腫瘍局在、リアルタイムのNIRF誘導腫瘍切除、切除縁の状態の評価、および残存病変の検出をシミュレートするために、安価で汎用性の高いツールを提供しています。ゼラチン状のファントムは、人体組織に類似した弾性特性を有し、従来のを使用して切断することができるurgical楽器。シミュレートされた外科的処置の間、外科医は、（触診可能な介在物の場合）、触覚情報および術野の目視検査によって案内される。また、NIRFイメージングは​​、手術の程度にリアルタイムの術中フィードバックを外科医に提供するために適用される。

これは、NIRFイメージングは​​蛍光色素の使用を必要とすることを強調すべきである。組織中の生理学的に豊富な分子によって（ 例えば 、ヘモグロビン、脂質、エラスチン、コラーゲン、および水）の光子の吸収および散乱を最小化するために- （900から650nm）理想的には、蛍光色素は、近赤外スペクトル範囲で光子を放出することに使用されるべきである^10,11。また、自家蛍光（ すなわち、生きた細胞内の生化学反応に起因する組織における固有の蛍光活性）は、最適な腫瘍対バックグラウンド比は¹¹で、その結果、近赤外スペクトル範囲で最小化される。腫瘍タージェにNIRF染料を結合させることにより、テッド部分（ 例えば、モノクローナル抗体）は、蛍光染料の標的化送達は、術中イメージングアプリケーションのために得ることができる。

人間の目は、近赤外スペクトル領域の光に鈍感であるように、高感度カメラ装置は、NIRFイメージングのために必要とされる。術中使用のためのいくつかのNIRFイメージングシステムは、これまで¹²が開発されてきた。現在の研究では、ミュンヘン工科大学と共同で術中のアプリケーションのために開発されたカスタムビルドNIRFイメージングシステムを使用していました。システムは、カラー画像と蛍光画像の同時取得が可能になる。蛍光画像の精度を向上させるために、訂正方式は、組織内の光強度の変化のために実装されている。詳細な説明はThemelis らによって提供される^。13

プロトコル

1腫瘍シミュレー介在物のためのシリコーンの金型を作成します。

1. 腫瘍シミュレー介在物、 例えば、ビーズやビー玉のためのモデルとして役立つことができる所望の形状およびサイズの固体のアイテムを収集する。
2. 徹底的に腫瘍モデルを清掃します。シリコーン金型から容易に除去を確実にするために、腫瘍モデルは、固着防止スプレーで噴霧またはワセリンまたは蜜蝋の薄い層で覆うことができる。
3. 滑らかな表面を持つ別の薄い壁の四角（プラスチック）ボックス内の各モデルを配置します。必要に応じて、位置を保存しておいて箱の底にモデルを固定。シリコン過剰な量の浪費を避けるために腫瘍モデル自体よりもわずかに大きいボックスを使用します。
4. 混合ボウルにシリコーン成分Aの必要量を注​​ぎ、10シリコーン成分Bを追加し1重量比。徹底的に両方の成分を混ぜる。任意で、真空ポンプは、シリコーン混合物から気泡を除去するために用いることができる。
5. 静かに経口気泡を閉じ込めないようにするプラスチック製のボックス内のシリコーン混合物をウル。シリコーン混合物は、最適な結果を得るために、45分以内に処理されるべきである。
6. シリコーン混合物は、金型を切削し、腫瘍モデルを削除する前に、少なくとも6時間、固化してみましょう。任意選択的に、シリコーンモールドは、きれいに戻って一緒に合うことができるように千鳥状に切断することができる。シリコーンの最大強度は、3日後に得られる。

2トリス緩衝生理食塩水を作成します。

1. 6.1グラム（50ミリモル）のトリス及び8.8グラム800ミリリットルの脱イオン水（150 mM）のNaClを添加することにより、トリス緩衝食塩水（TBS）溶液を作成する。
2. ヘモグロビン（ステップ3.3および4.4）の酸素を遮断するためのNaN ₃を1.0g（15ミリモル）を添加し、細菌の増殖を阻害する。注意：NaNの_3は厳しい毒である。それは、皮膚に、または飲み込む接触して致命的かもしれません。この化合物の毒性は、ヒト成人のための水溶性アルカリシアン化物と致死量に匹敵する約0.7 gである。メーカーによって提供されるよう、必ず安全手順に従ってください。
3. pHを7.4に調整し、脱イオン水で千ミリリットルにボリュームを持って来る。

3蛍光含まれるものを作成します。

1. アガロース、ゼラチン（ステップ4.2）に比べて、より高い融点を溶融ゼラチンに置かれたときに蛍光色素を溶解し、漏れるの介在物を防ぐことができますステップ2から50ミリリットルの、TBSに2グラムアガロースを追加します。任意に、追加されたアガロースの量は、それぞれ、軟らかいまたは触知可能な腫瘍の介在物を得るために、1または3 gまで変化させることができる。
2. 沸点に達するまで、マイクロ波を用いたアガローススラリーを加熱する。アガロースが完全に溶解するまで十分に撹拌する。
3. 1.1グラム（17マイクロモル）の周囲の乳房ファントム組織（ステップ4）の光学特性に類似するように、一定の撹拌下でアガロース混合物にTBS 50mlに溶解し、ヘモグロビン、5mlのイントラリピッド20％を加える。
4. （25 20.0ミリグラムを追加83.8ミリリットルの脱イオン水にインドシアニングリーン蛍光色素の0.8マイクロモル）。染料が完全に溶解していることを確認します。
5. ピペットでこの溶液5.0 mlおよび14μMの最終濃度を得るために、アガロース混合物に追加する。独自の最適濃度を、所望であれば、必要に応じて、ICG以外の蛍光色素を使用することができる。
6. ゆっくりと注射器（ 図1A）を使用して、熱いアガロース混合物と手順1で作成したシリコーン型を記入してください。全ての金型が満たされるまで、このプロセスを繰り返します。
7. 蛍光介在物を約1時間、室温で固化してみましょう。アルミホイルで全体をモールドを覆うことにより光から介在物を保護します。
8. 固化後、静かに、金型を開いて、介在物（ 図1B）を押し出す。オプションとして、介在物の表面に溶融したアガロース混合物の少量滴を適用するために、注射器の先端を使用しています。同じ場所にこのプロセスを数回繰り返すことにより、小さなtuを粗腐植スプリアスは浸潤性腫瘍をシミュレートするために作成することができる。
9. アルミ箔でそれらをラップすることにより、光と脱水からのアガロース含有物を保護し、4℃で加湿した貯蔵容器に保管してください。
   注：既知の濃度の最適値より低いまたは高い蛍光色素濃度の使用は減少し、蛍光シグナル強度をもたらす両方。最適な蛍光色素濃度以上色素濃度の増加に伴う信号強度の一見直感に反する減少は消光として知られる現象によるものである。最適な濃度を用いて、ファントム中の蛍光色素の最大の深さの浸透を評価する場合は必須です。

乳ファントムの作成4。

1. 所望のサイズおよび体積、 例えば 、ガラスまたはプラスチックボウルの乳房ファントムを作成するためのカップ状の金型を取得します。金型は、金型に付着したゼラチンフォームを防止するために滑らかな表面を有するべきである。金型volum500ミリリットルのeは、十分な大きさの乳房ファントムを作成します。
2. 500ミリリットルの容量で乳房ファントムを作成するには、500mlのTBSを（ステップ2）にゼラチン250ブルームの50グラムを加える。一定の攪拌下、50℃のゼラチンスラリーを加熱する。
3. ゼラチンが完全に溶解された後、ゼラチン混合物は次第に冷却させ、温水浴を用いて35℃の一定温度に維持する。
4. 一定の攪拌の下で、それぞれ、組織内の光子の吸収と散乱をシミュレートするために、5.5グラム（85ミリモル）のウシヘモグロビンと25ミリリットルイントラリピッド20％を追加します。
5. 少なくとも1時間、4℃でカップ状の金型を予備冷却。次に、アガロース腫瘍シミュレー含める（ 図1C）の事前に定義された深さに対応するレベルに金型内のゼラチンの混合物を注ぐ。ゼラチン混合物を1時間に30分間、4℃で固化してみましょう。
6. 固化後、表面上の腫瘍模擬蛍光アガロース含有を配置するファントムを一時的に小さな針と包接を固定。 3腫瘍シミュレー蛍光介在物の最大値までの単一の乳房ファントムに組み込むことができる。十分なスペース（最低5 cm）を個別の腫瘍シミュレー介在物（ 図1D）との間で維持されるべきである。
7. 屈折成果物を作成することなく、両層の密着性を考慮して、残りの金型ボリュームに温かいゼラチン混合物の残りを注ぐ。金型上の蛍光腫瘍シミュレー介在物の位置をマークします。ファントムは4℃でO / Nを固めるましょう。
8. 一度固化し、介在物の仮固定に使用した針を外し、静かにその金型（ 図1E）から乳房ファントムを削除します。アルミホイルでそれをラップすることにより、光と脱水から乳房ファントムを保護し、4℃で加湿した貯蔵容器に保管してください。

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蛍光腫瘍シミュレー介在物を含む乳房 ​​ファントムを作成するための、図1順次ステップは 、所望の形状及び大きさのシリコーン金型を作成した後、金型シリンジ（A）を使用して、溶融したアガロース混合物が充填されている。大きさや形状の異なる腫瘍シミュレー介在物が現在の研究（B）を製造した。次に、溶融したゼラチン混合物の薄層は、カスタマイズされたコーティングされた木製の乳房金型（C）に注ぐ。凝固後、腫瘍シミュレー介在物が、一時的に配置固定され、溶融したゼラチン混合物（D）の別の層で覆われている。固化後、乳房ファントムを静かにその金型（E）から削除されます。ファントムは、その後、さまざまなNIRFイメージングアプリケーション（F）をシミュレートするために適用することができる。REF = "/ファイル/ ftp_upload / 51776 / 51776fig1highres.jpg"ターゲット= "_ブランク」>この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

NIRFカメラシステムを設定します5。

1. 術中アプリケーションのNIRFカメラシステムは、乳癌手術において標的NIRFイメージングをシミュレートするために必要とされる。リアルタイムの術中NIRFイメージングのためのいくつかのNIRFイメージングシステムは、治験使用のために現在利用可能である。これらのデバイスはいくつかの違いが存在するが、それらはすべて（蛍光腫瘍介在物の励起用）の励起光源および放出された光子を検出するための高感度の撮像装置を含んでいる。
2. 十分な波長の励起光源を使用してください。 ICGを含む腫瘍シミュレー介在物の場合は、750〜800nm ​​の光子を放出する励起光源（ 例えば 、レーザー）を使用します。代替的な蛍光色素を使用する場合、励起波長はミリアンペアを適合調整されるべきである nufacturer者の説明。
3. 場合NIRFカメラシステムは、正しいフィルタが使用されていることを確認し、不要なバックグラウンド信号を除去するために発光フィルターが含まれています。 ICGを含む腫瘍シミュレー介在物の場合は、800と850 nmの発光フィルターを使用しています。代替的な蛍光染料は、製造者の指示に応じて、異なる発光フィルタを必要とし得る。
   注：過飽和画像を防止するための励起および発光波長間のゼロ重複があることを確認してください。また、画像取得時間は、最適な蛍光画像を得るために調整されなければならないかもしれない。深部の蛍光封入体または弱い蛍光シグナルの場合、画像取得時間は、数秒minにまでするために増加させることができる。表層介在物や強い蛍光シグナルの場合には、取得時間は、リアルタイムでビデオレートの蛍光イメージングを可能にするために数msecに減少させることができる。

乳がん手術においてNIRF画像処理アプリケーションの電子 "> 6。シミュレーション

1. そのコンテナから組織シミュレー乳房ファントムを取り、平らな非蛍光面に置きます。次に、腫瘍シミュレー介在物の切除のために十分な作動距離を残して、乳房ファントム上記NIRF撮像素子を配置します。
2. NIRFイメージングおよび/またはファントム乳房の触診を使用して腫瘍をシミュレートする蛍光含めることをローカライズ。全く蛍光シグナルが検出できない場合には、介在物のいずれかを検出または画像取得時間が増加されるべきであるファントムにあまりに深く配置されている。
3. 介在物がローカライズされると、ファントムの胸を切開し、従来の手術器具を使用してリアルタイムNIRF-指導の下、腫瘍シミュレートを含めることを削除します。あるいは、封入は、標準のケアをシミュレートするために、乳房ファントムの目視検査および触診によってのみ導か切り出すことができる。
4. 直接除去後腫瘍シミュレー介在物の、画像不十分な切除を示す残りの蛍光活性のために外科的空洞。
5. 全く蛍光シグナルがなくなるまで、残りの蛍光活動の場合は、直接のNIRF指導の下包接レムナントを切り出す。
6. イメージ切除されたファントム断片はNIRFガイド巨視的縁の状態評価をシミュレートする。 5mmの斑および画像に応じてプラーク - これに関しては、3に仮想組織をスライス。切除縁に到達蛍光シグナルが陽性の切除マージンが存在することを示している。

結果

この研究の結果は、以前に別の場所⁹に報告されている。

本発明者らのデータは、NIRFイメージングは​​乳癌患者におけるNIRF誘導乳房温存手術をシミュレーションする、組織シミュレー乳房ファントム蛍光腫瘍シミュレー介在物を検出するために適用され得ることを示している。私たちのファントムモデルを用いて、術中腫瘍局在、NIRF誘導腫瘍切除、外科空洞?...

ディスカッション

私たちは、統合された腫瘍をシミュレートする介在物乳房形のファントムを使用して、NIRF誘導BCSの潜在的な臨床応用をシミュレートした。術中腫瘍局在、NIRF誘導腫瘍切除手術の程度の評価、および切除縁の術後評価は、すべてのカスタム·ビルドNIRFカメラシステムを使用して実現可能なことが分かった。蛍光腫瘍シミュレー介在物の非侵襲的検出は、2cm以下の深さでファントム組織内に配?...

資料

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