Phantoms Tissue-simulação para avaliação de potenciais aplicações de fluorescência de imagem infravermelho próximo na cirurgia do câncer de mama

Resumo

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.

Resumo

Imprecisões na localização do tumor intra-operatória e avaliação de resultado cirúrgico status da margem de resultado abaixo do ideal da cirurgia conservadora da mama (BCS). A imagem óptica, em particular do infravermelho próximo fluorescência (NIRF) de imagem, pode reduzir a freqüência de margens cirúrgicas positivas seguinte BCS, fornecendo ao cirurgião uma ferramenta para a localização do tumor pré e intra-operatória em tempo real. No estudo atual, o potencial da BCS NIRF-guiada é avaliada utilizando fantasmas de mama simulando tecido-por razões de fins de normalização e formação.

Fantasmas da mama com características ópticas comparáveis ​​às do tecido mamário normal foram usados ​​para simular a cirurgia conservadora da mama. Inclusões contendo o corante fluorescente indocianina verde (ICG), simulando tumor foram incorporados os fantasmas em locais pré-definidos e fotografada para a localização do tumor pré e intra-operatória, a ressecção do tumor em tempo real NIRF-guiada, NIRF-guiadaavaliação sobre a extensão da cirurgia ea avaliação pós-operatória das margens cirúrgicas. Uma câmara NIRF personalizado foi usado como um protótipo clínica para fins de imagiologia.

Fantasmas materno contendo inclusões-simulando tumor oferecer uma ferramenta simples, barata e versátil para simular e avaliar imagens tumor intra-operatória. Os fantasmas gelatinosos têm propriedades elásticas semelhantes a tecido humano e pode ser cortado utilizando instrumentos cirúrgicos convencionais. Além disso, os simuladores contêm hemoglobina e intralípidos para mimetizar a absorção e dispersão de fotões, respectivamente, criando propriedades ópticas uniformes semelhantes a tecido de mama humano. A principal desvantagem do NIRF imagem é a profundidade de penetração limitada de fótons quando propagando através do tecido, o que dificulta (não invasiva) imagens de tumores profundos com as estratégias de epi-iluminação.

Introdução

Cirurgia conservadora da mama (BCS), seguida de radioterapia é o tratamento padrão para pacientes com câncer de mama com T _{1-T 2} mama carcinoma ^1,2. Imprecisões na avaliação intra-operatória da extensão do resultado da cirurgia de margens cirúrgicas positivas em 20 a 40% dos pacientes que se submeteram a BCS, necessitando de intervenção cirúrgica adicional ou radioterapia ^3,4,5. Apesar de extensa ressecção de tecido normal adjacente ao pode reduzir a freqüência de margens cirúrgicas positivas, isso também vai dificultar resultado cosmético e aumentar a comorbidade ^6,7. Consequentemente, são necessárias novas técnicas para fornecer feedback que intra-operatória do local do tumor primário e a extensão da cirurgia. A imagem óptica, em particular fluorescência infravermelho próximo (NIRF) de imagem, pode reduzir a freqüência de margens cirúrgicas positivas seguintes BCS, fornecendo ao cirurgião uma ferramenta para a localização do tumor pré e intra-operatória em r-tempo eal. Recentemente, nosso grupo informou sobre o primeiro ensaio em humanos de imagens de fluorescência segmentadas por tumor em pacientes com câncer de ovário, mostrando a viabilidade desta técnica para detectar tumores primários e metástases intraperitoneal com alta sensibilidade ^8. Antes de prosseguir para estudos clínicos em pacientes com câncer de mama, no entanto, a viabilidade de várias aplicações de imagem NIRF alvo de tumor no BCS já podem ser avaliados pré-clínicos utilizando fantasmas.

O seguinte protocolo de pesquisa descreve o uso de NIRF imagem em fantasmas de mama simulando tecido contendo fluorescentes inclusões-simulando tumor ^9. Os fantasmas fornecer uma ferramenta barata e versátil para simular ressecção localização do tumor pré e intra-operatória, em tempo real NIRF-guiada tumor, a avaliação do estado das margens cirúrgicas, e detecção de doença residual. Os fantasmas gelatinosos têm propriedades elásticas semelhantes a tecido humano e pode ser cortado usando s convencionalinstrumentos urgical. Durante o procedimento cirúrgico simulado, o cirurgião é guiado pela informação táctil (no caso de inclusões palpáveis) e inspecção visual do campo operatório. Além disso, NIRF imagiologia é aplicada para proporcionar ao cirurgião em tempo real de feedback intraoperatória da extensão da cirurgia.

Deve ser enfatizado que NIRF imagem requer a utilização de corantes fluorescentes. Idealmente, deve ser corantes fluorescentes que emitem fotões utilizado no intervalo espectral próximo do infravermelho (650-900 nm) para minimizar a absorção e dispersão de fotões por moléculas fisiologicamente abundantes em tecidos (por exemplo, hemoglobina, lípidos, elastina, colagénio, e água) ^10,11. Além disso, a autofluorescência (ou seja, a actividade de fluorescência intrínseca em tecidos devido a reacções bioquímicas nas células vivas) é minimizada no intervalo espectral próximo do infravermelho, o que resulta em óptimas tumoral-a-fundo rácios ^11. Conjugando NIRF tinge de tumor-tarjated porções (por exemplo, anticorpos monoclonais), entrega dirigida de corantes fluorescentes podem ser obtidos por aplicações de imagem intra-operatórias.

À medida que o olho humano é insensível à luz no intervalo espectral próximo do infravermelho, um dispositivo de câmara de alta sensibilidade é necessária para NIRF imagiologia. Vários sistemas de imagem NIRF para uso intra-operatório foram desenvolvidos até agora ^12. No presente estudo, foi utilizado um costume construir sistema de imagem NIRF que foi desenvolvido para aplicação intra-operatória em colaboração com a Universidade Técnica de Munique. O sistema permite a aquisição simultânea de imagens coloridas e imagens de fluorescência. Para melhorar a precisão das imagens de fluorescência, um sistema de correcção é executado para as variações na intensidade da luz no tecido. Uma descrição detalhada é fornecida por Themelis et al ^13.

Protocolo

1. Crie Silicone Moldes para Inclusões-simulando tumores

1. Coletar itens sólidos da forma desejada e tamanho que pode servir de modelo para inclusões-simulando tumor, por exemplo, contas ou bolinhas de gude.
2. Limpe bem os modelos de tumor. Para assegurar uma fácil remoção do molde de silicone, os modelos de tumor podem ser pulverizadas com pulverizador anti-aderente ou coberto com uma fina camada de geleia de petróleo ou cera de abelha.
3. Coloque cada modelo em uma praça murada caixa separada fina (plástico), com uma superfície lisa. Se necessário, fixar o modelo para o fundo da caixa para a manter em posição. Use uma caixa que é um pouco maior do que o modelo de tumor em si para evitar o desperdício de quantidades excessivas de silicone.
4. Despeje a quantidade necessária de silicone componente A em uma tigela e adicione componente silicone B em uma proporção de 10: 1 em peso. Misturar bem ambos os componentes. Opcionalmente, uma bomba de vácuo pode ser usada para remover as bolhas de ar a partir da mistura de silicone.
5. Gentilmente pour a mistura de silicone na caixa de plástico para evitar a captura de bolhas de ar. A mistura de silicone deve ser processado dentro de 45 min para obter os melhores resultados.
6. Deixe a mistura de silicone para solidificar, pelo menos, 6 horas, antes de cortar o molde e a remoção do modelo de tumor. Opcionalmente, o molde de silicone pode ser cortado em ziguezague para permitir que ele se encaixam juntos novamente limpa. A força máxima de silicone é obtida após 3 dias.

2 Criar uma solução salina Tris

1. Criar uma solução salina tamponada com Tris (TBS), adicionando 6,1 g (50 mM) e 8,8 g de Tris (150 mM) de NaCl em 800 ml de água desionizada.
2. Adicionar 1,0 g (15 mmol) de _NaN3 a bloquear a oxigenação de hemoglobina (passo 3.3 e 4.4) e para inibir o crescimento bacteriano. CUIDADO: NaN ₃ é um veneno forte. Pode ser fatal em contato com a pele ou por ingestão. A toxicidade do composto é comparável à de cianetos de metais alcalinos solúveis e a dose letal para um ser humano adultoé de cerca de 0,7 g. Siga sempre as instruções de segurança, tal como previsto pelo fabricante.
3. Ajustar o pH para 7,4 e levar o volume até 1000 ml com água desionizada.

3 Criar fluorescentes Inclusões

1. Adicionar 2 g de agarose com 50 ml de TBS a partir do passo 2 O ponto de fusão mais elevado de agarose em comparação com gelatina (passo 4.2) vai impedir que as inclusões de dissolução e vazando corante fluorescente quando colocada em gelatina fundida. Opcionalmente, a quantidade de agregado de agarose podem ser modificadas de acordo com uma ou 3 g de obter mais suaves ou inclusões tumorais palpáveis, respectivamente.
2. Aquece-se a suspensão de agarose, utilizando um forno de microondas até que o ponto de ebulição é atingida. Agita-se bem até a agarose estar completamente dissolvida.
3. Adicionar 1,1 g (17 mmol) de hemoglobina e 5 ml de Intralipid 20% dissolvido em 50 ml de TBS para a mistura de agarose sob agitação constante para se assemelhar as características ópticas do tecido circundante da mama fantasma (passo 4).
4. Adicionar 20,0 mg (250,8 mmol) do corante fluorescente verde de indocianina para 83,8 ml de água desionizada. Certifique-se de que o corante esteja completamente dissolvido.
5. Pipetar 5,0 ml desta solução e adicionar-se à mistura de agarose para se obter uma concentração final de 14 uM. Opcionalmente, outros corantes fluorescentes que ICG pode ser usado, se desejado, com a sua própria concentração óptima.
6. Suavemente encher os moldes de silicone criada no passo 1 com a mistura de agarose quente usando uma seringa (Figura 1A). Repita esse processo até que todos os moldes são preenchidos.
7. Deixe as inclusões fluorescentes solidificar à temperatura ambiente durante aproximadamente uma hora. Proteja as inclusões de luz, cobrindo todo o molde com papel alumínio.
8. Após solidificação, o molde de abrir suavemente e pressionar a inclusão (Figura 1B). Opcionalmente, utilizar a ponta da seringa para aplicar pequenas gotas de mistura de agarose fundida sobre a superfície da inclusão. Ao repetir este processo várias vezes no mesmo local, pequeno tuesporas mor pode ser criado para simular tumores infiltrativos.
9. Proteja as inclusões de agarose de luz e desidratação por envolvê-los em papel alumínio e guarde-os em um recipiente de armazenamento umidificada a 4 ° C.
   NOTA: A utilização de concentrações de corantes fluorescentes menores ou maiores do que a óptima concentração conhecida serão ambos resultam em diminuição da intensidade de sinal fluorescente. A redução aparentemente contraditório de intensidade de sinal com o aumento das concentrações de corantes acima da concentração óptima de corante fluorescente é devido a um fenómeno conhecido como têmpera. Ao avaliar a profundidade de penetração máxima de um corante fluorescente em fantasmas, usando a concentração ideal é obrigatória.

4. Criar Phantoms mama

1. Obtenção de um molde em forma de copo para criar fantasmas de mama com o tamanho desejado e de volume, por exemplo, um recipiente de vidro ou de plástico. O molde deve ter uma superfície lisa para impedir a forma de gelatina aderente ao molde. A volum moldee de 500 ml vai criar fantasmas de mama de tamanho suficiente.
2. Para criar um fantasma de mama com um volume de 500 ml, adicionar 50 g de gelatina 250 flor 500 ml TBS (passo 2). Aquece-se a suspensão de gelatina a 50 ° C, sob agitação constante.
3. Uma vez que a gelatina esteja completamente dissolvido, deixou-se a mistura arrefecer gradualmente, gelatina e mantê-lo a uma temperatura constante de 35 ° C usando um banho de água quente.
4. Sob agitação constante, adicionar 5,5 g (85 mmol) de hemoglobina bovina e 25 ml de Intralipid a 20% para simular a absorção e dispersão dos fotões no tecido, respectivamente.
5. Prechill o molde em forma de taça, a 4 ° C durante pelo menos 1 hr. Em seguida, despejar a mistura de gelatina no molde para um nível que corresponde à profundidade predefinida da inclusão simulando-tumoral de agarose (Figura 1C). Deixe a mistura de gelatina solidificar a 4 ° C durante 30 minutos a uma hora.
6. Após a solidificação, posicionar uma inclusão de agarose fluorescente simulando tumor na superfície o fantasma e, temporariamente, fixar a inclusão, com uma pequena agulha. Até um máximo de três inclusões fluorescentes simulando tumorais podem ser incorporados numa única mama fantasma. Espaço suficiente (pelo menos, 5 cm), deverá ser mantido entre inclusões-simulando tumorais individuais (Figura 1D).
7. Verter o restante da mistura de gelatina quente no volume remanescente do molde, o que permite a adesão de duas camadas, sem criar artefactos de refracção. Marcar a localização das inclusões-simulando tumorais fluorescentes sobre o molde. Deixe o fantasma solidificar O / N a 4 ° C.
8. Uma vez solidificado, retire as agulhas usadas para a fixação temporária das inclusões e remover suavemente a mama fantasma do seu molde (Figura 1E). Proteja o phantom de mama da luz e da desidratação por envolvê-lo em papel alumínio e guarde-o em um recipiente de armazenamento umidificada a 4 ° C.

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Figura 1: as etapas sequenciais de criar fantasmas mamários contêm inclusões-simulando tumorais fluorescentes. Depois de criar moldes de silicone da forma e tamanho desejado, os moldes são cheios com a mistura de agarose fundida através de uma seringa (A). Inclusões-simulando tumorais de diferentes dimensões e forma foram produzidos no estudo actual (B). Em seguida, uma fina camada da mistura de gelatina derretida é vertida num molde revestido mama madeira personalizado (C). Após solidificação, as inclusões-simulando tumorais estão posicionados, fixada temporariamente, e coberta com uma outra camada de mistura de gelatina derretida (D). Após solidificação, o fantasma da mama é cuidadosamente retirado do seu molde (E). O fantasma pode ser aplicado para simular várias aplicações de imagem NIRF (F).ref = "/ files / ftp_upload / 51776 / 51776fig1highres.jpg" target = "_blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

5 Defina o Sistema de Câmera NIRF

1. Um sistema de câmera NIRF para aplicação intra-operatória é necessária para simular imagens NIRF alvejado na cirurgia do câncer de mama. Vários sistemas de imagem para NIRF em tempo real NIRF intra-operatória de imagem estão disponíveis para uso em investigação. Embora existam algumas diferenças entre esses dispositivos, todos contêm uma fonte de luz de excitação (para a excitação das inclusões tumorais fluorescentes) e um dispositivo de imagem altamente sensível para a detecção de fotões emitidos.
2. Certifique-se de usar uma fonte de luz de excitação de um comprimento de onda suficiente. Para inclusões-simulando tumor contendo ICG, usar uma fonte de luz de excitação (por exemplo, laser), que emite fótons entre 750 e 800 nm. Se um corante fluorescente alternativa é utilizada, o comprimento de onda de excitação deve ser ajustado conforme a ma instruções do nufacturer.
3. No caso de o sistema de câmera NIRF contém um filtro de emissão para filtrar os sinais de fundo indesejados, certifique-se de que o filtro correto é usado. Para inclusões-simulando tumor contendo ICG, use um filtro de emissão entre 800 e 850 nm. Corantes fluorescentes alternativos podem requerer diferentes filtros de emissão, dependendo as instruções dos fabricantes.
   NOTA: Certifique-se de que não existe sem sobreposição entre a excitação e os comprimentos de onda de emissão para evitar que imagens supersaturadas. Além disso, o tempo de aquisição de imagem pode ter que ser ajustada para obter imagens fluorescentes óptimas. No caso de inclusões fluorescentes profundamente arraigados ou sinais fluorescentes fracas, imagem tempo de aquisição pode ser aumentada para até vários segundos para min. No caso de inclusões ou superficiais fortes sinais de fluorescência, tempo de aquisição pode ser reduzida para vários ms para permitir que a taxa de vídeo de imagens de fluorescência em tempo real.

e "> 6. Simulação de Aplicações NIRF de imagem na cirurgia do câncer de mama

1. Pegue a simulação de tecidos da mama fantasma de seu recipiente e coloque-o sobre uma superfície plana não fluorescente. Em seguida, posicione o dispositivo de imagem NIRF acima do phantom de mama, deixando uma distância de trabalho suficiente para a excisão das inclusões-simulando tumor.
2. Localize a inclusão fluorescente simulando tumor usando NIRF imagem e / ou a palpação da mama fantasma. No caso de nenhum sinal fluorescente pode ser detectada, a inclusão ou é posicionado muito profunda no simulador para a detecção ou o tempo de aquisição de imagem deve ser aumentada.
3. Uma vez que a inclusão é localizada, inciso mama fantasma e remover a inclusão-simulando tumor sob tempo real NIRF-orientação com instrumentos cirúrgicos convencionais. Como alternativa, a inclusão pode ser extirpado guiada apenas por inspeção visual e palpação da mama fantasma para simular o padrão de atendimento.
4. Imediatamente após a remoçãoda inclusão-simulando tumor, a imagem da cavidade cirúrgica para qualquer atividade fluorescente restante indicando excisão inadequada.
5. Em caso de qualquer atividade fluorescente restante, extirpar o resto inclusão sob orientação direta NIRF até nenhum sinal fluorescente é deixado.
6. Imagem fragmentos fantasmas destacadas para simular avaliação do estado margem macroscópica NIRF-guiada. Para tal, cortar o tecido fantasma em 3-5 placas mm e imagem das placas de acordo. Sinal de fluorescência chegando até as margens cirúrgicas indica a existência de margens cirúrgicas positivas.

Resultados

Os resultados deste estudo foram relatados anteriormente em outros lugares ^9.

Nossos dados mostram que NIRF imagem pode ser utilizada para a detecção de inclusões de simular tumor fluorescentes em fantasmas de mama simulando tecido-, simulando NIRF-guiada cirurgia conservadora da mama em pacientes com câncer de mama. Usando nosso modelo phantom, encontramos localização intra-operatória do tumor, a ressecção do tumor NIRF-guiada, a avaliação intra-operatória das margens...

Discussão

Simulamos aplicações clínicas potenciais da BCS NIRF guiadas através do uso de fantasmas em forma de mama com inclusões-simulando tumor integrados. Localização intra-operatória do tumor, a ressecção do tumor NIRF-guiada, a avaliação da extensão da cirurgia ea avaliação pós-operatória das margens cirúrgicas foram todos encontrados viável utilizando um sistema de câmera NIRF custom-construir. Detecção não invasiva de inclusões-simulando tumorais fluorescentes só foi possível por inclusões posici...

Materiais

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