使用小动物辐射研究平台在胶质母细胞瘤大鼠模型中基于正电子发射断层扫描的剂量绘画放射治疗
Summary
在这里，我们提出了一种方案，使用内部开发的算法在大鼠胶质母细胞瘤模型中执行基于临床前正电子发射断层扫描的放射治疗，以优化准确性和效率。
Abstract
先前已建立了一种大鼠胶质母细胞瘤模型，以模拟临床中人类胶质母细胞瘤的化学放射治疗。与临床治疗类似，在治疗计划过程中结合计算机断层扫描（CT）和磁共振成像（MRI）。随后添加了正电子发射断层扫描（PET）成像，以使用微辐照系统实现亚体积增大。然而，使用微照射系统组合三种成像方式（CT、MRI 和 PET）被证明是劳动密集型的，因为在临床前环境中必须按顺序完成多模式成像、治疗计划和剂量递送。这也会导致工作流更容易出现人为错误。因此，实施了一种用户友好的算法，以进一步优化基于临床前多模态成像的放射治疗计划。该软件工具用于通过使用计算机研究设计来评估微辐照剂量绘画放射治疗 的 准确性和效率。剂量涂装放射治疗的新方法在准确性，时间效率以及用户内部和用户间变异性方面优于先前描述的方法。这也是朝着在微型辐照器上实施逆向治疗计划迈出的重要一步，与临床系统相比，前瞻性计划仍然普遍使用。
Introduction
胶质母细胞瘤（GB）是一种恶性且非常具有侵袭性的原发性脑肿瘤。GB 是一种实体异质性肿瘤，通常以浸润性边界、核异型性和坏死为特征1。血脑屏障的存在以及大脑作为免疫特权位点的地位使得发现化疗和免疫治疗的新靶点成为一项艰巨的任务2，3，4。值得注意的是，自 2005 年引入 Stupp 方案以来，GB 患者的治疗几乎没有变化，该方案将外照射放射治疗 （RT） 与伴随的替莫唑胺相结合，通常随后是替莫唑胺佐胺佐胺5。通常，在 Stupp 方案之前进行最大程度的手术切除。因此，替代治疗方法至关重要。
目前针对胶质母细胞瘤患者的放射治疗将均匀的辐射剂量输送到定义的肿瘤体积。在放射肿瘤学中，胶质母细胞瘤与剂量增加存在重要的剂量反应相关性，由于对正常大脑的毒性增加，似乎上限在60 Gy左右6，7。然而，肿瘤可能非常（放射生物学上）异质性，具有氧水平梯度和/或细胞密度差异很大。代谢成像技术，如PET，可以可视化这些生物学特征，并可用于定制剂量处方。这种方法称为剂量绘画RT。这个术语是由Ling等人在2000年引入的。作者将剂量绘画RT定义为在辐射传播和散射的约束下产生”精细的共形剂量分布”8。
有两种类型的剂量绘画RT，按轮廓进行剂量绘画（DPBC），根据该剂量将剂量规定为一组嵌套的子体积，以及剂量绘画按数字（DPBN），其中剂量在体素水平上规定。可以从功能图像中提取DPBN RT的剂量分布。每个体素中的剂量由图像中相应体素的强度I确定，具有下限和上限，以确保一方面将足够的剂量输送到肿瘤的每个部分。另一方面，剂量不超过上限，以保护处于危险中的器官并避免毒性。最直接的方法是在最小剂量Dmin和最大剂量Dmax之间进行线性插值（见等式1），在目标体积内的最小强度Imax和最大强度之间按比例变化9，10
等式 1
由于对DPBN RT的质量保证存在一些怀疑，因此应通过临床前和临床研究来验证剂量的沉积10。然而，只能从临床试验中获得有限的数据，并且假设可以通过缩小到实验动物来获得更多的见解11，12。因此，利用精确的图像引导辐射研究平台进行临床前研究，允许与一些非常具体的技术（如放射自显影）相结合，适用于检查开放问题，并为个性化医疗和新型治疗策略铺平道路，例如剂量绘画RT13，14。但是，必须谨慎解释临床前数据，并且必须考虑这些临床前设置的缺点14。
微辐照系统，如小动物辐射研究平台（SARRP），配备了与临床对应物类似的技术。它们包括车载锥形束CT（CBCT）成像，临床前治疗计划系统（PCTPS），并提供亚毫米级精度。临床剂量计算通过逆向治疗计划进行，从所需的剂量分布开始，通过迭代算法确定光束。临床前照射器通常使用前瞻性规划。在前瞻性规划中，选择所需的光束量和角度，然后PCTPS计算剂量分布。计划的优化通过人工迭代执行，这是劳动密集型的15。
2009年后，新的发展使得在这些研究平台上实施逆向规划成为可能16，17，18。为了增加与临床方法的相似性，开发了一种电动可变矩形准直器（MVC）作为多叶准直器的临床前对应物。Cho等人发表了一种利用可变准直器的二维剂量绘画方法。该研究小组在微辐照器上实施了三维（3D）逆治疗计划方案，并确定了目标体积的最小和最大剂量以及风险器官的最大剂量。这些技术主要 在计算机中进行了评估，其临床前应用需要探索。
本文提出了一项计算机研究，以比较使用小动物辐射研究平台在GB大鼠模型20，21，22中[18F]-氟乙基-L-酪氨酸（[18F]FET）PET剂量涂装的两种方法。这两种方法是（1）使用预定义的光束尺寸进行亚体积增强和（2）使用电动可变准直器进行剂量涂漆，其中颌骨尺寸根据肿瘤体积中的PET示踪剂摄取进行修改。[18楼]FET是一种PET示踪剂，通常用于神经肿瘤学，因为它具有检测脑肿瘤的能力23。[18楼]FET是一种人造氨基酸，内化到肿瘤细胞中，但未掺入细胞蛋白中。[18楼]FET摄取与细胞增殖速率、肿瘤细胞密度和血管生成相对应24。由于这是这些作者研究所中最常用的肿瘤脑PET示踪剂，因此选择这种放射性示踪剂来评估新的工作流程。
Protocol
Representative Results
Discussion
先前描述了一种大鼠GB模型，用于模拟临床上胶质母细胞瘤患者的化疗放射治疗20。与临床方法类似，CT和MRI在治疗计划过程中相结合，以获得更精确的照射。当动物从一个成像系统移动到另一个成像系统时，使用多模态床来最小化（头部）运动。随后，将PET成像添加到治疗计划过程中，并且可以成功实施基于PET的亚容量提升21，22。在?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者要感谢Lux Luka基金会对这项工作的支持。
Materials
| 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 |
References
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