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Aqui apresentamos um protocolo para realizar radioterapia baseada em tomografias pré-pêtrons em um modelo de glioblastoma de ratos usando algoritmos desenvolvidos internamente para otimizar a precisão e eficiência.
Um modelo de glioblastoma de rato para imitar o tratamento de quimioterapia-radiação do glioblastoma humano na clínica foi previamente estabelecido. Semelhante ao tratamento clínico, tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (RM) foram combinadas durante o processo de planejamento do tratamento. A tomografia de emissão de pósitrons (PET) foi posteriormente adicionada para implementar o aumento de sub volume usando um sistema de microrraseamento. No entanto, a combinação de três modalidades de imagem (TC, Ressonância Magnética e PET) utilizando um sistema de microdiadistração mostrou-se trabalhosa, pois a imagem multimodal, o planejamento do tratamento e a entrega de doses devem ser concluídas sequencialmente no ambiente pré-clínico. Isso também resulta em um fluxo de trabalho mais propenso a erros humanos. Portanto, foi implementado um algoritmo fácil de usar para otimizar ainda mais o planejamento de tratamento de radiação multimodal pré-clínico baseado em imagens. Esta ferramenta de software foi utilizada para avaliar a precisão e eficiência da radioterapia de pintura de doses com micro-irradiação usando um projeto de estudo em silico . A nova metodologia para a radioterapia de pintura de doses é superior ao método descrito anteriormente em termos de precisão, eficiência de tempo e variabilidade intra e interusativa. É também um passo importante para a implementação do planejamento inverso do tratamento em micro-irradiadores, onde o planejamento futuro ainda é comumente utilizado, em contraste com os sistemas clínicos.
Glioblastoma (GB) é um tumor cerebral primário maligno e muito agressivo. Gb é um tumor heterogêneo sólido tipicamente caracterizado por limites infiltrados, atypia nuclear e necrose1. A presença da barreira hemato-cerebral e do estado cerebral como um local imuno-privilegiado torna a descoberta de novos alvos para quimioterapia e imunoterapia uma tarefa assustadora2,3,4. Vale ressaltar que o tratamento de pacientes com GB mal mudou desde a introdução, em 2005, do protocolo Stupp que combina radioterapia de feixe externo (RT) com temozolomide concomitante, geralmente seguido por temozolomide adjuvante5. Normalmente, o protocolo Stupp é precedido por ressecção cirúrgica máxima. Portanto, abordagens alternativas de tratamento são de fundamental importância.
A radioterapia atual para pacientes com glioblastoma fornece uma dose uniforme de radiação ao volume do tumor definido. Na oncologia da radiação, há uma importante correlação dose-resposta para glioblastoma com dose crescente, que parece limitar cerca de 60 Gy, devido ao aumento da toxicidade ao cérebro normal6,7. No entanto, os tumores podem ser muito (radiobiologicamente) heterogêneos, com gradientes de nível de oxigênio e/ou grandes diferenças na densidade celular. Técnicas de imagem metabólica, como o PET, podem visualizar essas características biológicas e podem ser utilizadas para personalizar a prescrição de dose. Esta abordagem é conhecida como pintura de dose RT. Este termo foi introduzido por Ling et al. em 2000. Os autores definiram a pintura de dose RT como produzindo "distribuições de dose requintadamente conformais dentro das restrições de propagação e dispersão de radiação"8.
Existem dois tipos de pintura de dose RT, pintura de dose por contornos (DPBC), pelo qual uma dose é prescrita para um conjunto de sub-volumes aninhados, e pintura de dose por números (DPBN), pelo qual uma dose é prescrita no nível voxel. A distribuição de dose para DPBN RT pode ser extraída de imagens funcionais. A dose em cada voxel é determinada pela intensidade I do voxel correspondente na imagem, com um limite inferior e superior, para garantir que, por um lado, uma dose suficiente seja entregue a cada parte do tumor. Por outro lado, as doses não excedem um limite superior para proteger órgãos em risco e evitar a toxicidade. O método mais simples é uma interpolação linear (ver Eq. 1) entre a dose mínima Dmin e a dose máxima Dmax, variando proporcionalmente entre intensidade mínima Imax e intensidade máxima dentro do volume alvo9,10
Eq. 1
Como há algum ceticismo sobre a garantia de qualidade do DPBN RT, a deposição da dose deve ser verificada através de pesquisas pré-clínicas10. No entanto, apenas dados limitados podem ser adquiridos a partir de ensaios clínicos, e tem sido hipótese de que mais insights podem ser obtidos por downscaling para animais de laboratório11,12. Assim, estudos pré-clínicos utilizando plataformas de pesquisa de radiação guiadas por imagem de precisão que permitem o acoplamento com algumas técnicas muito específicas, como a autoradiografia, são adequados para examinar questões abertas e abrir caminho para a medicina personalizada e novas estratégias de tratamento, como a pintura de doses RT13,14. No entanto, a interpretação dos dados pré-clínicos deve ser realizada com cautela, e as desvantagens dessas configurações pré-clínicas devem ser consideradas14.
Sistemas de microdia irradiação, como a Small Animal Radiation Research Platform (SARRP), são equipados com tecnologias semelhantes às suas contrapartes clínicas. Eles incluem imagens ct de feixe de cone a bordo (CBCT), um sistema de planejamento de tratamento pré-clínico (PCTPS), e fornecem precisão submilímetro. Os cálculos de dose clínica são realizados pelo planejamento do tratamento inverso, pelo qual se inicia a partir da distribuição de dose desejada para determinar os feixes através de um algoritmo iterativo. Irradiadores pré-clínicos geralmente usam planejamento avançado. No planejamento futuro, a quantidade e o ângulo necessários das vigas são selecionados e, em seguida, o PCTPS calcula a distribuição da dose. A otimização dos planos é realizada por iteração manual, que é intensiva em mão-de-obra15.
Após 2009, novos desenvolvimentos tornaram possível a implementação do planejamento inverso dessas plataformas de pesquisa16,17,18. Para aumentar a semelhança com o método clínico, um colmíador retangular variável motorizado (MVC) foi desenvolvido como uma contrapartida pré-clínica do colmíador de várias folhas. Um método de pintura de dose bidimensional utilizando um colmíador variável foi publicado por Cho et al.19. Este grupo de pesquisa implementou um protocolo de planejamento de tratamento inverso tridimensional (3D) em um micro-irradiador e determinou doses mínimas e máximas para o volume alvo e uma dose máxima para os órgãos em risco. Essas técnicas têm sido avaliadas principalmente em sílico, e suas aplicações pré-clínicas precisam ser exploradas.
Este artigo apresenta um estudo em silico para comparar duas metodologias para [18F]-fluoro-ethyl-L-tyrosine ([18F]FET) pintura de dose pet em um modelo de rato GB20,21,22 usando uma pequena plataforma de pesquisa de radiação animal. Estas duas metodologias são (1) aumento de sub volume usando tamanhos de feixe predefinidos e (2) pintura de dose usando um colômulo variável motorizado onde as dimensões da mandíbula são modificadas com base na absorção do rastreador PET no volume do tumor. [18F] FET é um rastreador PET frequentemente usado em neuro-oncologia devido à sua capacidade de detectar tumores cerebrais23. [18F] FET é um aminoácido artificial que é internalizado em células tumorais, mas não incorporado em proteínas celulares. [18F] A absorção de FET corresponde à taxa de proliferação celular, densidade celular tumoral e angiogênese24. Como este é o rastreador PET cerebral oncológico mais utilizado no instituto desses autores, este radiotracer foi escolhido para avaliar o novo fluxo de trabalho.
O estudo foi aprovado pelo comitê de ética local para experimentos em animais (ECD 18/21). O monitoramento da anestesia é realizado através da aquisição da taxa respiratória dos animais por meio de um sensor.
1. Modelo de célula de rato F98 GB
2. Confirmação do crescimento do tumor
3. Imagem multimodalidade da seleção de volume de destino
NOTA: A irradiação guiada por PET/MRI requer a aquisição sequencial de um conjunto de dados multimodal. Após a administração intravenosa do radiotracer, a imagem PET é iniciada, seguida de ressonância magnética ponderada t1 com contraste e, finalmente, uma tomografia de planejamento de tratamento.
4. Co-registro de imagem
NOTA: O co-registro é realizado com um código MATLAB semiautomá-automático desenvolvido internamente. O código pode ser encontrado no Github em https://github.com/sdonche/DosePainting. Os diferentes passos são descritos abaixo.
5. Planejamento do tratamento de radiação
NOTA: Um aplicativo MATLAB e vários scripts MATLAB foram escritos para o planejamento do tratamento de radiação. O código pode ser encontrado no Github em https://github.com/sdonche/DosePainting. Os diferentes passos são explicados abaixo.
6. Avaliação do plano
NOTA: Para comparar os dois métodos, calcule os histogramas de volume de dose (DVH) e o histograma de volume Q (QVH) no volume PET V50. Aqui, um roteiro MATLAB, desenvolvido internamente, foi usado. O código pode ser encontrado no Github em https://github.com/sdonche/DosePainting.
A viabilidade da irradiação guiada por PET e ressonância magnética em um modelo de rato glioblastoma utilizando o SARRP para imitar a estratégia de tratamento humano foi descrita anteriormente20,21,22. Enquanto o animal foi fixado em um leito de multimodalidade feito internamente, foi possível criar um plano de tratamento de radiação aceitável combinando três modalidades de imagem: PET, Ressonância Magnética e TC. Ne...
Um modelo gb de rato para imitar o tratamento de quimioterapia-radiação na clínica para pacientes com glioblastoma foi descrito anteriormente20. Semelhante ao método clínico, a TC e a ressonância magnética foram combinadas durante o processo de planejamento do tratamento para obter irradiação mais precisa. Uma cama multimodalidade para minimizar o movimento (cabeça) foi usada quando o animal foi movido de um sistema de imagem para outro. Posteriormente, a imagem PET foi adicionada ao pro...
Os autores não têm conflitos de interesse para divulgar.
Os autores gostariam de agradecer à Fundação Lux Luka por apoiar este trabalho.
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 |
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