작은 동물 방사선 연구 플랫폼을 사용하여 교모 세포종 쥐 모델에서 양전자 방출 단층 촬영 기반 용량 페인팅 방사선 요법
Summary
여기서는 정확성과 효율성을 최적화하기 위해 사내에서 개발한 알고리즘을 사용하여 쥐 교모세포종 모델에서 전임상 양전자 방출 단층 촬영 기반 방사선 요법을 수행하는 프로토콜을 제시합니다.
Abstract
클리닉에서 인간 교모 세포종의 화학 방사선 치료를 모방하는 쥐 교모 세포종 모델이 이전에 설립되었습니다. 임상 치료와 유사하게, 컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 자기 공명 화상 진찰(MRI)은 처리 계획 과정에서 결합되었다. 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 이미징은 이후 마이크로 조사 시스템을 사용하여 하위 볼륨 증폭을 구현하기 위해 추가되었습니다. 그러나, 마이크로 조사 시스템을 사용하여 3개의 화상 진찰 양식(CT, MRI 및 PET)을 결합하는 것은 다중 모달 화상 진찰, 처리 계획 및 복용량 납품이 전임상 조정에서 순차적으로 완료되어야 하기 때문에 노동 집약적인 것으로 판명되었습니다. 또한 인적 오류가 발생하기 쉬운 워크플로우가 발생합니다. 따라서 전임상 다모달 이미징 기반 방사선 치료 계획을 더욱 최적화하기 위한 사용자 친화적인 알고리즘이 구현되었다. 이 소프트웨어 도구는 실리코 연구 설계에서 을 사용하여 미세 조사로 방사능 요법의 정확성과 효율성을 평가하는 데 사용되었습니다. 용량 페인팅 방사선 요법을 위한 새로운 방법론은 정확도, 시간 효율성 및 사용자 간 가변성 측면에서 이전에 설명된 방법보다 우수합니다. 그것은 또한 임상 시스템과는 달리, 앞으로 계획이 아직도 일반적으로 이용되는 마이크로 조사에 역 처리 계획의 실행을 향한 중요한 단계입니다.
Introduction
교모세포종 (GB)은 악성 및 매우 공격적인 기본 뇌종양입니다. GB는 전형적으로 잠입 경계, 핵 atypia 및 괴사1을 특징으로 하는 고체 이질성 종양입니다. 혈액-뇌 장벽의 존재와 면역 특권 사이트로서의 뇌의 상태는 화학 요법과 면역 요법에 대한 새로운 표적의 발견을 어려운 작업2,3,4로 만듭니다. GB 환자의 치료는 2005년 외부 빔 방사선 요법(RT)과 수반되는 테모졸로미드를 결합한 Stupp 프로토콜의 도입 이후 거의 변경되지 않았으며, 일반적으로 보조 테모졸로미드5가 뒤따릅니다. 전형적으로, Stupp 프로토콜은 최대 외과 절제술에 선행됩니다. 따라서 대체 치료 접근법은 중추적인 중요성을 지니고 있습니다.
교모세포종 환자를 위한 현재 방사선 요법은 정의된 종양 부피에 균일한 방사선 량을 전달합니다. 방사선 종양학에서, 증가 복용량교모세포종에 대 한 중요 한 복용량 응답 상관 관계가 있다, 주위 모자 것 같다 60 Gy, 정상적인 brain6,7에 독성 증가 로 인해. 그러나, 종양은 매우 (방사선학적으로) 이질적일 수 있으며, 산소 수준 및/또는 세포 밀도의 큰 차이의 그라데이션이 있습니다. PET와 같은 신진 대사 이미징 기술은 이러한 생물학적 특징을 시각화할 수 있으며 용량 처방을 사용자 지정하는 데 활용할 수 있습니다. 이 방법은 복용량 페인팅 RT로 알려져 있습니다. 이 용어는 2000년에 Ling 외에서 소개되었습니다. 저자는 복용량 페인팅 RT를 생산으로 정의 “방사선 전파및 산란의 제약 내에서 절묘하게 공식적인 복용량 분포”8.
투여량도정RT의 두 가지 유형이 있다, 윤곽에 의해 복용량 페인팅 (DPBC), 복용량중첩 하위 볼륨의 집합에 처방 되는, 그리고 숫자에 의해 복용량 페인팅 (DPBN), 이에 의해 복용량은 복셀 수준에서 처방. DPBN RT에 대한 용량 분포는 기능성 이미지에서 추출될 수 있다. 각 복셀의 투여량은 이미지내의 해당 복셀의 강도 I에 의해 결정되며, 상한도는 한편으로는 종양의 모든 부분에 충분한 용량이 전달되도록 한다. 다른 한편으로는, 복용량 위험에 장기를 보호 하 고 독성을 피하기 위해 상한을 초과 하지 않습니다. 가장 간단한 방법은 최소 용량 Dmin과 최대 용량 Dmax 사이의 선형 보간(Eq. 1 참조)으로, 최소 강도 Imax와 목표 부피 내에서 최대 강도 사이에 비례적으로 변화합니다9,10
Eq. 1
DPBN RT의 품질 보증에 대한 몇 가지 회의론이 있기 때문에, 복용량의 증착은 전임상 및 임상 연구를 통해 확인되어야한다10. 그러나 제한된 데이터만 임상 시험에서 획득할 수 있으며 실험실 동물11,12로 축소하여 더 많은 통찰력을 얻을 수 있다고 가설이 있었습니다. 따라서, 정밀 이미지 유도 방사선 연구 플랫폼을 활용하는 전임상 연구는 사인 방사선 촬영과 같은 매우 구체적인 기술과 결합할 수 있도록 하는 것으로, 개방된 문제를 조사하고 복용량 페인팅 RT13,14와 같은 개인화된 의학 및 새로운 치료 전략을 향한 길을 개척하는 데 적합합니다. 그러나, 전임상 데이터의 해석은 주의해서 행해야 하며, 이러한 전임상 설정의 단점을 고려해야 한다14.
소형 동물 방사선 연구 플랫폼(SARRP)과 같은 미세 조사 시스템은 임상 과 유사한 기술을 갖추고 있습니다. 여기에는 온보드 원뿔 빔 CT(CBCT) 이미징, 전임상 치료 계획 시스템(PCTPS)이 포함되며 밀리미터 이하의 정밀도를 제공합니다. 임상 용량 계산은 역 처리 계획에 의해 수행되며, 이에 따라 원하는 용량 분포에서 시작하여 반복 알고리즘을 통해 빔을 결정합니다. 전임상 조사자는 종종 전방 계획을 사용합니다. 전방 계획에서 빔의 필요한 양과 각도가 선택되고 PCTPS는 투여량 분포를 계산합니다. 계획의 최적화는 노동 집약적인 수동 반복에 의해 수행됩니다15.
2009년 이후, 새로운 개발로 인해 이러한 연구 플랫폼에 대한 역계획 시행이 가능해졌습니다16,17,18. 임상 방법과의 유사성을 높이기 위해, 전동가변 직사각형 콜리마터(MVC)는 다중 리프 콜리메이터의 전임상 대응으로 개발되었다. 변수 콜리메이터를 활용한 2차원 용량 도장 방법은 Cho al.19에 의해 출판되었다. 이 연구 그룹은 마이크로 조사기에서 3차원(3D) 역 치료 계획 프로토콜을 구현하고 대상 부피및 위험에 처한 장기에 대한 최대 용량에 대한 최소 및 최대 용량을 결정했습니다. 이 기술은 주로 실리코에서 평가되고, 그들의 전임상 응용 프로그램은 탐구될 필요가 있습니다.
이 논문은 작은 동물 방사선 연구 플랫폼을 사용하여 GB 쥐 모델20,21,22에서 [18F]-플루오로-에틸-L-티로신([18F]FET) PET 기반 용량 도면에 대한 두 가지 방법론을 비교하기 위한 실리코 연구를 제시한다. 이러한 두 가지 방법론은 (1) 미리 정의된 빔 크기를 사용하여 부피 증폭및 (2) 종양 부피의 PET 트레이서 섭취에 기초하여 턱 치수가 수정되는 전동 변수 콜리메이터를 사용하여 (2) 용량 도장한다. [18F] FET는 뇌종양23을 검출하는 능력 때문에 신경 종양학에서 자주 사용되는 PET 추적자입니다. [18F] FET는 종양 세포로 내면화되지만 세포 단백질에 통합되지 않는 인공 아미노산입니다. [18F] FET 섭취량은 세포 증식율, 종양 세포 밀도 및 혈관 신생24에 해당합니다. 이것은 이 저자의 연구소에서 가장 일반적으로 사용되는 종양학 두뇌 PET 추적자이기 때문에, 이 방사선 추적자는 새로운 워크플로우를 평가하기 위하여 선택되었습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
교모세포종 환자를 위한 클리닉에서 화학 방사선 치료를 모방하는 쥐 GB 모델은 이전에 설명되었다20. 임상 방법과 유사하게, CT와 MRI는 보다 정밀한 조사를 얻기 위하여 처리 계획 프로세스 도중 결합되었습니다. 동물이 한 이미징 시스템에서 다른 이미징 시스템으로 이동했을 때 (머리) 움직임을 최소화하기 위한 다변성 침대가 사용되었습니다. 그 후 PET 이미징이 치료 계획 프?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 이 작품을 지원해준 럭스 루카 재단에 감사드립니다.
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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