Küçük Hayvan Radyasyonu Araştırma Platformu kullanılarak Glioblastoma Rat Modelinde Pozitron Emisyon Tomografi tabanlı Doz Boyama Radyasyon Tedavisi
Summary
Burada, doğruluk ve verimliliği optimize etmek için şirket içinde geliştirilen algoritmaları kullanarak bir sıçan glioblastoma modelinde preklinik pozitron emisyon tomografisi tabanlı radyoterapi yapmak için bir protokol sunuyoruz.
Abstract
Klinikte insan glioblastomanın kemoterapi-radyasyon tedavisini taklit eden bir sıçan glioblastoma modeli daha önce kurulmuştu. Klinik tedaviye benzer şekilde, tedavi planlama sürecinde bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) birleştirildi. Pozitron emisyon tomografisi (PET) görüntülemesi daha sonra bir mikro ışınlama sistemi kullanılarak alt hacim güçlendirme uygulamak için eklendi. Bununla birlikte, mikro ışınlama sistemi kullanarak üç görüntüleme modalitesinin (BT, MRI ve PET) birleştirilmesi emek yoğun olduğunu kanıtladı, çünkü multimodal görüntüleme, tedavi planlaması ve doz doğumu preklinik ortamda sırayla tamamlanmalı. Bu aynı zamanda insan hatasına daha yatkın bir iş akışıyla sonuçlanır. Bu nedenle, preklinik multimodal görüntüleme tabanlı radyasyon tedavisi planlamasını daha da optimize etmek için kullanıcı dostu bir algoritma uygulandı. Bu yazılım aracı , bir siliko çalışma tasarımı kullanılarak mikro ışınlama ile doz boyama radyasyon tedavisinin doğruluğunu ve verimliliğini değerlendirmek için kullanılmıştır. Doz boyama radyasyon tedavisi için yeni metodoloji doğruluk, zaman verimliliği ve kullanıcı içi ve kullanıcılararası değişkenlik açısından daha önce açıklanan yöntemden daha üstündür. Ayrıca, klinik sistemlerin aksine ileriye dönük planlamanın hala yaygın olarak kullanıldığı mikro ışınlayıcılarda ters tedavi planlamasının uygulanmasına yönelik önemli bir adımdır.
Introduction
Glioblastoma (GB) kötü huylu ve çok agresif bir primer beyin tümörüdür. GB tipik olarak infiltratif sınırlar, nükleer atipi ve nekroz1 ile karakterize katı heterojen bir tümördür1. Kan-beyin bariyerinin varlığı ve beynin bağışıklık ayrıcalıklı bir site olarak durumu, kemoterapi ve immünoterapi için yeni hedeflerin keşfini göz korkutucu bir görev haline getirir2,3,4. GB hastalarının tedavisinin, 2005 yılında, dış ışın radyasyon tedavisini (RT) eşlik eden temozolomid ile birleştiren Stupp protokolünün piyasaya sürülmesinden bu yana neredeyse hiç değişmediği ve bunu genellikle adjuvan temozolomide5’in izlediği dikkat çekicidir. Tipik olarak, Stupp protokolünden önce maksimal cerrahi rezeksiyon gelir. Bu nedenle alternatif tedavi yaklaşımları çok önemlidir.
Glioblastoma hastaları için mevcut radyasyon tedavisi, tanımlanan tümör hacmine tek tip radyasyon dozu sağlar. Radyasyon onkolojisinde, glioblastoma için normal beyne artan toksisite nedeniyle 60 Gy civarında görünen artan doz ile önemli bir doz-yanıt korelasyonu vardır6,7. Bununla birlikte, tümörler oksijen seviyesi gradyanları ve/ veya hücresel yoğunlukta büyük farklılıklar ile çok (radyobiyolojik olarak) heterojen olabilir. PET gibi metabolik görüntüleme teknikleri bu biyolojik özellikleri görselleştirebilir ve doz reçetesini özelleştirmek için kullanılabilir. Bu yaklaşım doz boyama RT olarak bilinir. Bu terim Ling ve arkadaşları tarafından 2000 yılında tanıtıldı. Yazarlar, DOZ Boyama RT’yi “radyasyon yayılımı ve dağılım kısıtlamaları içinde zarif bir şekilde konformsal doz dağılımları” üretmek olarak tanımladılar 8.
İki tür doz boyama RT, konturlara göre doz boyama (DPBC), bir doz iç içe alt hacimler kümesine reçete edilir ve sayılara göre doz boyama (DPBN), böylece voksel düzeyinde bir doz reçete edilir. DPBN RT için doz dağılımı fonksiyonel görüntülerden çıkarılabilir. Her vokseldeki doz, bir yandan tümörün her yerine yeterli dozun iletildiklerinden emin olmak için alt ve üst sınıra sahip görüntüdeki ilgili vokselin I yoğunluğuna göre belirlenir. Öte yandan, risk altındaki organları korumak ve toksisiteden kaçınmak için dozlar bir üst sınırı aşmaz. En basit yöntem, minimum doz Dmin ve maksimum doz Dmax arasında doğrusal bir enterpolasyondur (bkz. Eş. 1), hedef hacimdeki minimum yoğunluk Imax ve maksimum yoğunluk arasında orantılı olarak değişir9,10
Eş. 1
DPBN RT’nin kalite güvencesi konusunda bazı şüpheler olduğundan, dozun birikmesi klinik öncesi ve klinik araştırmalarla doğrulanmalıdır10. Bununla birlikte, klinik çalışmalardan sadece sınırlı veriler elde edilebilir ve laboratuvar hayvanlarına küçülterek daha fazla içgörü elde edilebileceği varsayılmıştır11,12. Bu nedenle, otoradyografi gibi bazı çok özel tekniklerle bağlantıya izin veren hassas görüntü güdümlü radyasyon araştırma platformlarını kullanan preklinik çalışmalar, açık konuları incelemek ve rt13,14 doz boyama gibi kişiselleştirilmiş tıp ve yeni tedavi stratejilerine giden yolu açmak için uygundur. Ancak, preklinik verilerin yorumlanması dikkatle yapılmalıdır ve bu preklinik kurulumların dezavantajları dikkate alınmalıdır14.
Küçük Hayvan Radyasyon araştırma platformu (SARRP) gibi mikro ışınlama sistemleri, klinik benzerleriyle benzer teknolojilerle donatılmıştır. Bunlar arasında koni-ışın CT (CBCT) görüntüleme, preklinik tedavi planlama sistemi (PCTPS) bulunur ve milimetre altı hassasiyet sağlar. Klinik doz hesaplamaları ters tedavi planlaması ile gerçekleştirilir, böylece biri ışınları yinelemeli bir algoritma ile belirlemek için istenen doz dağılımından başlar. Preklinik ışınlayıcılar genellikle ileriye dönük planlama kullanır. İleriye dönük planlamada, kirişlerin gerekli miktarı ve açısı seçilir ve PCTPS daha sonra doz dağılımını hesaplar. Planların optimizasyonu, emek yoğun olan manuel yineleme ile gerçekleştirilir15.
2009 yılından sonra yeni gelişmeler bu araştırma platformlarında ters planlamanın uygulanmasını mümkün kılmaktadır16,17,18. Klinik yöntemle benzerliği artırmak için, çok yapraklı kolimatörin preklinik bir karşılığı olarak motorlu değişken dikdörtgen kollazatör (MVC) geliştirilmiştir. Değişken kolimatör kullanan iki boyutlu doz boyama yöntemi Cho ve ark.19 tarafından yayınlandı. Bu araştırma grubu bir mikro ışınlayıcı üzerinde üç boyutlu (3D) ters tedavi planlama protokolü uyguladı ve hedef hacim için minimum ve maksimum doz, risk altındaki organlar için maksimum doz belirledi. Bu teknikler esas olarak silikoda değerlendirilmiştir ve preklinik uygulamalarının araştırılması gerekir.
Bu makale, küçük bir hayvan radyasyon araştırma platformu kullanarak BIR GB sıçan modelinde [18F]-floro-etil-L-tirozin ([18F]FET) PET tabanlı doz boyama için iki metodolojiyi karşılaştırmak için siliko çalışması sununda bir çalışma sunun. Bu iki metodoloji (1) önceden tanımlanmış ışın boyutları kullanılarak alt hacim artırıcı ve (2) tümör hacmindeki PET izleyici alımına göre çene boyutlarının değiştirildiği motorlu değişken kolimatör kullanılarak doz boyanır. [18F] FET, beyin tümörlerini tespit etme yeteneği nedeniyle nöro-onkolojide sıklıkla kullanılan bir PET izleyicidir23. [18F] FET, tümöral hücrelere içselleştirilmiş ancak hücre proteinlerine dahil olmayan yapay bir amino asittir. [18F] FET alımı hücre çoğalma hızı, tümör hücre yoğunluğu ve anjiogenez24 ile karşılık gelir. Bu, bu yazarların enstitüsünde en sık kullanılan onkolojik beyin PET izleyicisi olduğundan, bu radyotracer yeni iş akışını değerlendirmek için seçildi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Glioblastoma hastaları için klinikte kemoterapi-radyasyon tedavisini taklit eden bir sıçan GB modeli daha önce tanımlanmıştır20. Klinik yönteme benzer şekilde, tedavi-planlama sürecinde BT ve MRI birleştirilerek daha hassas ışınlama elde edildi. Hayvan bir görüntüleme sisteminden diğerine taşındığında (kafa) hareketi en aza indirmek için çok yönlü bir yatak kullanıldı. Daha sonra, PET görüntüleme tedavi planlama sürecine eklendi ve PET tabanlı alt hacim güçlen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar bu çalışmayı desteklenerek Lux Luka Vakfı’na teşekkür ediyor.
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).
