Radiothérapie par peinture de dose basée sur la tomographie par émission de positons dans un modèle de rat de glioblastome à l’aide de la plate-forme de recherche sur les rayonnements de petits animaux
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier la Fondation Lux Luka pour son soutien à ce travail.
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
- Louis, D. N., et al. The 2016 World Health Organization classification of tumors of the central nervous system: a summary. Acta Neuropathologica. 131 (6), 803-820 (2016).
- Wadajkar, A. S., et al. Tumor-targeted nanotherapeutics: Overcoming treatment barriers for glioblastoma. Wiley Interdisciplinary Reviews. Nanomedicine & Nanobiotechnology. 9 (4), (2016).
- Lim, M., Xia, Y., Bettegowda, C., Weller, M. Current state of immunotherapy for glioblastoma. Nature Reviews. Clinical Oncology. 15 (7), 422 (2018).
- McGranahan, T., Li, G., Nagpal, S. History and current state of immunotherapy in glioma and brain metastasis. Therapeutic Advances in Medical Oncology. 9 (5), 347-368 (2017).
- Stupp, R., et al. Radiotherapy plus concomitant and adjuvant temozolomide for glioblastoma. The New England Journal of Medicine. 352 (10), 987-996 (2005).
- Von Neubeck, C., Seidlitz, A., Kitzler, H. H., Beuthien-Baumann, B., Krause, M. Glioblastoma multiforme: Emerging treatments and stratification markers beyond new drugs. The British Journal of Radiology. 88 (1053), 20150354 (2015).
- Mann, J., Ramakrishna, R., Magge, R., Wernicke, A. G. Advances in radiotherapy for glioblastoma. Frontiers in Neurology. 8, 748 (2018).
- Ling, C. C., et al. Towards multidimensional radiotherapy (MD-CRT): Biological imaging and biological conformality. International Journal of Radiation Oncolology, Biology, Physics. 47 (3), 551-560 (2000).
- Bentzen, S. M., Gregoire, V. Molecular imaging-based dose painting: a novel paradigm for radiation therapy prescription. Seminars in Radiation Oncology. 21 (2), 101-110 (2011).
- Bentzen, S. M. Theragnostic imaging for radiation oncology: Dose-painting by numbers. The Lancet. Oncology. 6 (2), 112-117 (2005).
- Wong, J., et al. High-resolution, small animal radiation research platform with X-ray tomographic guidance capabilities. International Journal of Radiation Oncolology, Biology, Physics. 71 (5), 1591-1599 (2008).
- Van Hoof, S. J., Granton, P. V., Verhaegen, F. Development and validation of a treatment planning system for small animal radiotherapy: SmART-Plan. Radiotherapy and Oncology. 109 (3), 361-366 (2013).
- Verhaegen, F., Granton, P., Tryggestad, E. Small animal radiotherapy research platforms. Physics in Medicine & Biology. 56 (12), 55-83 (2011).
- Butterworth, K. T., Prise, K. M., Verhaegen, F. Small animal image-guided radiotherapy: Status, considerations and potential for translational impact. The British Journal of Radiology. 88 (1045), 20140634 (2015).
- Nasr, A., Habash, A. Dosimetric analytic comparison of inverse and forward planned IMRT techniques in the treatment of head and neck cancer. Journal of the Egyptian National Cancer Institute. 26 (3), 119-125 (2014).
- Matinfar, M., Iyer, S., Ford, E., Wong, J., Kazanzides, P. Image guided complex dose delivery for small animal radiotherapy. IEEE International Symposium on Biomedical Imaging: From Nano to Macro. , 1243-1246 (2009).
- Matinfar, M., Iordachita, I., Wong, J., Kazanzides, P. Robotic delivery of complex radiation volumes for small animal research. IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 2056-2061 (2010).
- Balvert, M., et al. A framework for inverse planning of beam-on times for 3D small animal radiotherapy using interactive multi-objective optimisation. Physics in Medicine & Biology. 60 (14), 5681-5698 (2015).
- Cho, N. B., Wong, J., Kazanzides, P. Dose Painting with a Variable Collimator for the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). The Midas Journal. , 1-8 (2014).
- Bolcaen, J., et al. MRI-guided 3D conformal arc micro-irradiation of a F98 glioblastoma rat model using the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). Journal of Neuro-oncology. 120 (2), 257-266 (2014).
- Bolcaen, J., Descamps, B., Boterberg, T., Vanhove, C., Goethals, I. PET and MRI guided irradiation of a glioblastoma rat model using a micro-irradiator. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (130), e56601 (2017).
- Verhoeven, J., et al. Technical feasibility of [18F]FET and [18F]FAZA PET guided radiotherapy in a F98 glioblastoma rat model. Radiation Oncology. 14 (1), 89 (2019).
- Hutterer, M., et al. FET PET: a valuable diagnostic tool in neuro-oncology, but not all that glitters is glioma. Neuro-oncology. 15 (3), 341-351 (2013).
- Stockhammer, F., Plotkin, M., Amthauer, H., Landeghem, F. K. H., Woiciechowsky, C. Correlation of F-18-fluoro-ethyl-tyrosin uptake with vascular and cell density in non-contrast-enhancing gliomas. Journal of Neuro-oncology. 88 (2), 205-210 (2008).
- . Mricron dicom to nifti converter. neuroimaging informatics tools and resources clearinghouse (nitrc) Available from: https://www.nitrc.org/projects/mricron (2015)
- . SPM12 Manual Available from: https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/doc/spm12_manual.pdf (2014)
- España, S., Marcinkowski, R., Keereman, V., Vandenberghe, S., Van Holen, R. DigiPET: Sub-millimeter spatial resolution small-animal PET imaging using thin monolithic scintillators. Physics in Medicine & Biology. 59 (13), 3405-3420 (2014).
