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マルチモダリティ画像ガイド精密放射線研究プラットフォーム。Ｘ線、生物発光、蛍光トモグラフィーと放射線治療を統合したもの
A Multi-modality Image-guided Precision Radiation Research Platform: Integrating X-ray, Bioluminescence and Fluorescence Tomography with Radiotherapy.
PMID: 32585336 DOI: 10.1016/j.ijrobp.2020.06.023.
抄録
目的:
放射線生物学的メカニズムの解明には小動物照射が重要である。臨床放射線治療のパラダイムは、高精度定位治療へと移行しつつある。しかし、このような治療法を小動物照射に適用することは、高品質の画像ガイドが得られないために困難である。この障害を克服するために、私たちはマルチモダリティ画像誘導型精密放射線治療プラットフォームを開発しました。
PURPOSE: Small animal irradiation is crucial to the investigation of radiobiological mechanisms. The paradigm of clinical radiotherapy is trending to high-precision, stereotactic treatment. However, translating this scheme to small animal irradiation is challenging due to the lack of high-quality image guidance. To overcome this obstacle, we developed a multi-modality image-guided precision radiation platform.
方法と材料:
このプラットフォームは、X線コンピュータ断層撮影（CT）、生物発光断層撮影（BLT）、蛍光分子断層撮影（FMT）、放射線治療の4つのモジュールで構成されています。CTは、放射線量計算のために動物の解剖学的構造と物質密度を提供し、BLTとFMTの再構成のために体の輪郭を提供します。BLTとFMTは、放射線治療の治療成績を評価するために、腫瘍の局在性と分子活性を提供します。さらに、3次元線量計算のためのモンテカルロ法に基づく治療計画システム（TPS）を開発し、ラジオクロミックフィルムを水と同等のファントムに挟んで校正し、安楽死させたマウス（n=4）に手術的に移植したin vivo線量計を用いて検証した。最後に、同所性乳房腫瘍と前立腺腫瘍を有するマウスに画像ガイド照射を行い、γH2AX組織像を用いて放射線照射を確認した。
METHODS AND MATERIALS: The platform consists of four modules: x-ray computed tomography (CT), bioluminescence tomography (BLT), fluorescence molecular tomography (FMT), and radiotherapy. CT provides animal anatomy and material density for radiation dose calculation, as well as body contour for BLT and FMT reconstruction. BLT and FMT provide tumor localization to guide radiation beams and molecular activity to evaluate treatment outcome. Furthermore, we developed a Monte Carlo based treatment planning system (TPS) for three-dimension dose calculation, calibrated it using radiochromic films sandwiched in a water-equivalent phantom, and validated it using in vivo dosimeters surgically implanted into euthanized mice (n=4). Finally, we performed image-guided irradiation on mice bearing orthotopic breast and prostate tumors, and confirmed radiation delivery using γH2AX histology.
結果:
モンテカルロ法に基づくTPSは、フィルム測定値とシミュレーション線量をベンチマークすることで校正することに成功した。その結果、安楽死させたマウスの生体内での線量測定では、計算された線量と測定された線量の平均差は3.86±1.12%であった。TPSで作成した治療計画に従って、前立腺腫瘍の同所性腫瘍を有する動物にはBLTガイド下の4本の放射線を用いて20Gyの線量を、乳房腫瘍の同所性腫瘍を有する動物にはFMTガイド下の1本の放射線を用いて5Gyの線量を照射することに成功した。
RESULTS: The Monte Carlo based TPS was successfully calibrated by benchmarking simulation dose against film measurement. For in vivo dosimetry measured in the euthanized mice, the average difference between the TPS calculated dose and measured dose was 3.86±1.12%. Following the TPS-generated treatment plan, we successfully delivered 20 Gy dose to an animal bearing an orthotopic prostate tumor using BLT-guided four radiation beams, and 5 Gy dose to an animal bearing an orthotopic breast tumor using FMT-guided single radiation beam. γH2AX histology presented significantly more DNA damage in irradiated tumors and thus validated the dose delivery accuracy under BLT/FMT guidance.
結論:
このマルチモダリティCT/BLT/FMT画像ガイド小動物照射プラットフォームは、モンテカルロTPSと組み合わせることで、腫瘍の特異的な位置特定、正確な線量分布の計算、正確な照射ガイド、治療効果の分子レベルでの評価を可能にします。これは、放射線生物学とトランスレーショナル・ガン研究のための高度なツールセットを提供します。
CONCLUSIONS: Combined with Monte Carlo TPS, this multi-modality CT/BLT/FMT image-guided small animal radiation platform can specifically localize tumors, accurately calculate dose distribution, precisely guide radiation delivery, and molecularly evaluate treatment response. It provides an advanced toolset for radiobiology and translational cancer research.
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