Abstract
Bakgrunn
Stråling retinopati er en mulig etterbehandling komplikasjon av strålebehandling. Den patofysiologiske mekanismen er antatt å være mikrovaskulær opprinnelse, men bevisene er begrenset. I et forsøk på å studere retinal oksygenering hos disse pasientene, vi her evaluere repeterbarhet og variasjon av netthinnens oksymetri målinger hos pasienter som tidligere hadde fått strålebehandling og foreta sammenligninger til en kohort av ubestrålte fag.
Metoder
Ved hjelp av retinal oksymetri, en non-invasiv avbildningsfunksjonalitet, vi utførte
in vivo
målinger av arteriole (Sao
2) og venule SO
2 (SVO
2) i fag ( n = 9, 18 netthinne) som hadde fått tilfeldige stråling til deres netthinne (≥ 45 Gy til en retina) og hos friske personer (n = 20, 40 netthinne). Totalt 1367 SO
2 observasjoner på 593 fartøy i 29 personer som ble analysert for å vurdere tre kilder til variasjonen i fartøyets SO
2: 1) variansen i gjentatte målinger av samme skip ( «repeterbarhet»), 2) variansen i ulike fartøy innen samme emne ( «innen individuell variasjon»), og 3) varians mellom fagene ( «variasjoner mellom pasienter»).
Resultater
Retinale oksymetri målinger var svært repeterbare både bestrålte pasienter og ubestrålte fag. Den innenfor Individuell variasjon av SVO
2 og Sao
2 målinger utgjorde den høyeste del av variansen i begge gruppene, og var betydelig høyere i venules vs. arterioler (relative effekten størrelse 1,8, p 0,001) og i bestrålte fag vs. ubestrålte fag (relative effekten størrelse 1,6, p 0,001).
Konklusjoner
Netthinne oksymetri er en svært repeterbare teknologi og kan sikkert brukes til å studere vaskulær oksygenering i bestrålte fag. Ulike fartøy innen samme emne utstillings en høy grad av variasjon, noe som tyder på at samlede analyser av flere fartøyer er mest sannsynlig å være informativ for regional retinal oksygenering. Endelig bestrålte fagene viste signifikant høyere i individuell variasjon i SO
2 målinger, noe som tyder på at stråling kan føre til regionale endringer i retinal oksygentilførsel og /eller metabolisme
Citation. Higginson DS, Sahgal A, Lawrence MV, Moyer S, Stefanescu M, Willson AK, et al. (2013) Ekstern Beam Strålebehandling for hode og nakke kreft er assosiert med økt variasjon i retinal vaskulær oksygenering. PLoS ONE åtte (8): e69657. doi: 10,1371 /journal.pone.0069657
Redaktør: Gayle E. Woloschak, Northwestern University Feinberg School of Medicine, USA
mottatt: 15 mars 2013; Godkjent: 11 juni 2013; Publisert: 6. august 2013
Copyright: © 2013 Higginson et al. Dette er en åpen-tilgang artikkelen distribueres under betingelsene i Creative Commons Attribution License, som tillater ubegrenset bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, forutsatt den opprinnelige forfatteren og kilden krediteres
Finansiering:. Dette arbeidet ble støttet av National Center for Forskning Resources (UL1RR025747 til BSC); RSNA Forskning Resident Grant (til DSH); og en ubegrenset (oftalmologi) avdelings bevilgning fra Forsknings å hindre blindhet. Innholdet er utelukkende ansvaret til forfatterne og ikke nødvendigvis representerer den offisielle visninger av National Center for Forskning Resources eller National Institutes of Health. Finansiører hadde ingen rolle i studiedesign, datainnsamling og analyse, beslutning om å publisere, eller utarbeidelse av manuskriptet
Konkurrerende interesser:.. Forfatterne har erklært at ingen konkurrerende interesser eksisterer
Innledning
Strålebehandling er en viktig behandlingsform for svulster i sinonasal regionen, nasopharynx, og hjernen. Ofte netthinnen er uunngåelig og forresten bestrålt. Stråling retinopati er en potensiell langsiktig komplikasjon, spesielt når netthinnen mottar doser større enn 45 Gy [1] – [5].
Serial observasjonsstudier, ved hjelp fluoresceinangiografi og fundusfotografering, har vist tidlig vaskulære endringer slik som microaneurysms, kapillær utslettelse, og telangiectasier, etterfulgt av sårvæske dannelse, makulaødem og neovascularization i noen tilfeller [6] -. [8]
en ledende hypotese for mekanismen av stråling retinopati er mikrovaskulær skade, noe som resulterer i retinal hypoksi, neuronal celle tap, og til slutt synssvekkelse, analogt med diabetisk retinopati [6], [9], [10]. Direkte bevis for iskemi eller oksygene endringer i netthinnen etter stråling retinopati er begrenset. Spesielt
in vivo
observasjoner av tidlige endringer i retinal oksygene fysiologi er ikke kjent.
Netthinne oksymetri er en ny ikke-invasiv netthinneavbildningsfunksjonalitet for måling
in vivo
endringer i retinal fartøy oksygenmetning (SO
2). De tekniske aspektene av retinal oksymetri er tidligere blitt beskrevet i litteraturen [11] – [13]. Spektrofotometriske retinal oksymetri tiltak intraoksygenmetning ved å ansette forskjeller i lys absorpsjon egenskaper mellom oksygenrikt og deoxygenated hemoglobin. Netthinne arteriell (SAO
2) og venular oksygene metning (SVO
2) kan vises på konvensjonelle fundus kamerabilder av farge kartlegging av SO
2 verdier langs lengden av utvalgte fartøy, gir kvalitative og kvantitative mål av regionale netthinnen vaskulær oksygenering.
metoden har tidligere vært vist som reproduserbar og følsomme for endringer i O2 konsentrasjon av inspirert gass [13]. Diabetiker pasienter med retinopati har blitt evaluert med retinal oksimetri og øker i SvO2 og avtar i Sao
2-SVO
2 forskjeller (dvs. oksygen utvinning) har blitt observert i forhold til alvorlighetsgraden av retinopati [14], [15 ]. Det har blitt brukt for å undersøke patofysiologien til retinasykdom antatt å være vaskulær i etiologi eller relatert til oksygenering, for eksempel åpenvinkelglaukom, diabetisk retinopati, Cyanotiske hjertefeil, og sentral retinal arterieokklusjon [14] -. [18]
Vi hypotese at netthinnens oksymetri målinger er reproduserbare i bestrålte netthinne og stråling fører til endringer i retinal oksygenering som er påviselig med retinal oksimetri. For å studere denne hypotesen vi utført retinal oksymetri i fag som forresten fikk høye doser av stråling ( 45 Gy) til sine netthinner for svulster nær øynene (bestrålt kohort) og i normale personer (un-bestrålt kohort). Vi vurderte reproduserbarhet av retinal oksymetri og variasjonen av retinal oksygenering. Vi analyserte tre komponenter av variansanalyse ved bruk av en tilfeldig effekter modell: 1) for avviket mellom gjentatte målinger av samme skip ( «repeterbarhet»), 2) avvik mellom forskjellige beholdere innen den samme emne ( «innenfor individuell variasjon»), og 3) avviket mellom fagene ( «variasjoner mellom pasienter»). Vi anser potensielle faktorer som kan påvirke komponentene i strid modell, inkludert fartøyets lengde og bredde, fartøytype (arteriole vs. venule), og kohort (bestrålt fagene vs ubestrålte fag).
Metoder
Subject Utvalg
Alle analysert personer ble registrert på ett av to protokoller godkjent av en Institutional Review board ved University of North Carolina (UNC) Lineberger Comprehensive Cancer Center. «. Endringer i Regional Netthinne Oksygen Utvinning og funksjon etter strålebehandling» De bestrålte individer (N = 9) ble tatt med på LCCC 1019 De viktigste inklusjonskriterier for denne studien var 1) 18 år og 2) personer som fikk en gjennomsnittlig dose på 45 Gy til minst en kvadrant av en netthinnen. Individer med tilbakevendende /vedvarende sykdom eller individer med konfunderende komorbiditet (f.eks diabetes, glaukom) ble ekskludert. De ubestrålte pasienter (N = 20) ble innrullert i en intern studie designet for å skaffe normative data i friske forsøkspersoner (LCCC 10-2175).
strålingsdosimetri for det bestrålte Kohort
Forsøkspersonene ble simulert for strålebehandling planlegging med en aquaplast hode kastet etter immobilisering og en 100 kV CT Big Bore skanner med 3 mm aksial slicing. Stråling planene ble formulert med PlanUNC (PLUNC) behandling planlegging (UNC, Chapel Hill). For å beregne retinal doser, hver globus var manuelt formet og retina volum ble definert som mellomrommet mellom omkretsen av kloden og en 5 mm konsentrisk sammentrekning av dette volumet. Den% volum av netthinnen mottar 45 Gy og maksimums- og gjennomsnitts doser til hver retina ble beregnet. Alle fag i det bestrålte kohorten ble behandlet med intensitet modulert strålebehandling (IMRT), som skaper svært konforme distribusjoner strålingsdose med bratte dose gradienter som åpner for sparing av synsapparatet. Det er vanlig praksis å maksimalt spare en retina fra høye doser av stråling. Imidlertid kan netthinnen ved siden av tumoren uunngåelig motta 45 Gy. Den bratte dose gradient skapt av IMRT betyr at vanligvis bare den mediale delen av en netthinnen mottatt ≥45 Gy, som potensielt kan føre til geografisk varierte effekter på netthinnen i samme fag.
synsskarphet
bestrålte fagenes synsskarphet ble målt ved hjelp av en ESV-3000 ETDRS testing enhet med standardiserte tilbake belysning plassert 4 meter foran faget [19]. Høyre og venstre øye ble vurdert separat med elever undilated. Kontrollpersonene ble vurdert ved hjelp av Snellen visus diagrammer. Personene ble kategorisert i grupper etter deres øye med den verste skarphet (normal: 20/25 eller bedre, nær normal: 20 /32-20 /63, moderat eller verre: 20/80). [20]
Netthinne oximetry
Alle bildene ble kjøpt av utdannede retinal fotografer bruker Oxymap Netthinne oksymeteret (Reykjavík, Island) montert på en Topcon TRC50-VT funduskamera (Topcon Co, Tokyo, Japan). For hvert individ ble bilder sentrert på den optiske platen med en 50-graders synsfelt. Før fotografering, ble forsøkspersonenes utvidede pupiller med tropikamid (1%) og fenylefrin hydroklorid (2,5%) øyedråper. All oksymetri data ble oppnådd med identiske lysforhold (døren lukket, lys av). For hvert bilde, ble den optiske platen sentreres og en 50 ° synsfelt ble erholdt. Fagene «blikk var rettet rett fram for å minimere vinkel-of-blikk-avhengige effekter [21]. Sensoren på økende kamera er 1600 × 1200 piksler.
Forholdet mellom absorbans og SO
2 ble definert ved hjelp kalibreringsparametere levert av Oxymap (SO
2 = -0,953 * ODR 1,16, ODR = optisk tetthet ratio). Absorbansmålinger oppnås ved to bølgelengder: 570 nm og 600 nm. Et minimum piksel bredde på 8 ble valgt som terskelen for analyse som anbefalt av Oxymap (personlig kommunikasjon). Alle fartøy over terskelen til 8 piksler ble inkludert i analysen.
En SO
2 verdi for en gitt fartøy (arteriole, São
2 og venule, SVO
2) representerer en vektet gjennomsnitt av SO
2 langs lengden av et fartøy. Skipene ble analysert fra kanten av papillen til periferien av bildet. Der to fartøyer krysset, ble en liten 3-4 pikselområde for ekskludering brukes, per Oxymap anbefalinger. Alle grener av en analysert fartøy ble inkludert i det veide gjennomsnittet, forutsatt at de var større enn 8 piksler i diameter.
For de første fem fag i hver årsklasse (bestrålt gruppe og ubestrålt kontrollgruppe), fem gjentatte oksymetri bilder ble tatt i løpet av noen få minutter fra hverandre. Hvert kar ble analysert på hver av de fem gjentatte oksymetri bilder og sammenlignet for repeterbarhet analyse. Etter en interimanalyse ble gjort og høy repeterbarhet for både bestrålte og ubestrålte kohorter ble funnet, ble bare ett bilde analysert for fagene 6-9 (bestrålt kohortstudier) og 6-20 (kontrollgruppen) for bruk i de resterende delene av avviksanalyse .
statistikker
Noen komponenter av variansen modellen ble brukt for å tillate modellering av tre nivåer av variasjon: 1) avvik mellom gjentatte målinger av samme skip ( «repeterbarhet»), 2) avvik mellom ulike fartøy innen samme emne ( «innen individuell variasjon»), og 3) varians mellom fagene ( «variasjoner mellom pasienter»). Hver av de tre varianskomponenter ble modellert som en log-lineær regresjon på kovariater. Maksimal sannsynlighet anslag ble oppnådd, og sannsynligheten ratio-tester ble benyttet for å beregne p-verdier. Standard feil var basert på Fisher informasjon matrise. Analysen ble gjort i R, versjon 2.14. Totalt 1367 SO
2 observasjoner på 593 fartøyer i 29 fag ble analysert og passer til modellen.
Resultater
emne Kjennetegn
Nine bestrålt og 20 ubestrålt fagene gikk retinal oksymetri (tabell 1). Det var flere menn og flere tunge røykere i det bestrålte årsklasse, men forskjellene var ikke signifikante ved Fishers eksakte test (p = 0,40 og 0,57, henholdsvis). Ingen av pasientene viste alvorlige mangler i ETDRS synsskarphet testing, noe som tyder på at SO
2 målinger i det bestrålte kohorten ble innhentet før klinisk symptomatisk retinopati og noen observerte endringer i retinal oksygene ville representere tidlige subkliniske endringer (tabell 1). Blant de bestrålte personer var gjennomsnittlig dose på netthinnen varierte 9,1 til 54,0 Gy (se tabell 2). Hvert fag i det bestrålte kohort mottatt ≥45 Gy til en betydelig del av minst ett netthinnen (område, 19,5 til 94,0%).
Influence of Vessel bredden og lengden på SO
2 Verdier
Vi først vurdert om SO
2 målinger av et gitt fartøy (Sao
2 og SVO
2) ble påvirket av lengden eller bredden på at skipet, som kan variere anatomisk. SaO
2 korrelerte ikke med enten fartøyet lengde eller bredde. Som sett tidligere [22]. SVO
2 målinger gjorde variere lineært med fartøy bredde i både bestrålte og ubestrålte kohorter, men ikke lengden. Venule fartøy bredde ble derfor innarbeidet i våre komponenter av variasjon analyse, men gjorde det ikke av seg selv uavhengig påvirke enten samme fartøy repeterbarhet eller innen individuell variasjon (tabell 3).
Repeterbarhet av netthinnens oksymetri Målinger
for de første fem fag i både bestrålt og ubestrålte kohortene, ble oppnådd fem gjentatte målinger av hver arteriole og venule (197 fartøyer, 985 målinger). Standardavviket innenfor gjentas samme fartøy SO
2 målinger var liten: 2,39 til 2,50% for venules og 1,70 til 1,77% for arterioler (tabell 4). Disse tallene utgjorde bare 7-18% av den totale variasjon i alle målinger (se tabell 4). Venules viste signifikant dårligere repeterbarhet enn arterioler (p 0,001, Tabell 3) i alle fag, selv med justering for fartøy bredde, men i absolutte termer repeterbarhet var sammenlignbare med andre rapporter [22]. Det var ingen forskjell i samme fartøy repeterbarhet mellom ubestrålte og bestrålte grupper (Tabell 4).
Innen individuell variasjon i SO
2 Verdier
Når vi analyserte variabilitet av SO
2 målinger av ulike retinal skip innen samme emne, dette utgjorde den høyeste andelen av variasjon for begge grupper og for både arterioler og venules (50-78% av all variasjon, tabell 4). Variasjon blant innenfor-faget venules var betydelig høyere enn arterioler (p 0,001, Tabell 3). For eksempel, for de bestrålte fagene standardavviket for alle netthinnens venules var 8,2% vs. 4,5% for arterioler (p 0,001, Tabell 4).
Vi har observert betydelig høyere variasjon i bestrålte personer sammenlignet med un- bestrålte fag (tabell 3 og 4) med en relativ virkning størrelse på 1,62 (p 0,001). Variasjonen i bestrålte venules var 8,2% sammenlignet med 5,1% i ubestrålte venules. På visuell inspeksjon av netthinnens oksymetri bildene, var det en høyere grad av ensartethet av vaskulære oksygenmetningsverdier i de ubestrålte fag (Figur 1, paneler D-F) i forhold til de bestrålte fag (Figur 1, paneler A-C).
OD: Høyre øye. OS: Venstre øye. En farge gradient med tilsvarende SO
2 verdier er gitt til venstre i bildene. De grønne /gule fartøyene er venules mens de røde /oransje fartøy er arterioler. Noen av de bestrålte personer viste svært variabel SO
2 verdier i venules (se pilen til blå venule i pasient B, OS) eller arterioler (se pilene i pasient B, OD og pasient A, OD og OS). Ikke alle bestrålte fag utstilt dette markert variasjon i kvalitativ SO
2 måling (Subject C). Ubestrålte fag hadde mindre innen individuell variasjon (merk mer konsekvent grønne venules og røde arterioler hos pasienter D-F).
variasjoner mellom pasienter i SO
2 Verdier
Neste vi analysert variasjoner i SO
2 verdier mellom fag innenfor de to kohortene, som utgjorde 14-36% av den totale variasjon (tabell 4). Det var ingen signifikant forskjell mellom de bestrålte og ubestrålte grupper (Tabell 3).
Diskusjoner
Denne studien viser at retina oksymetri målinger av SO
2 er reproduserbare i bestrålte fag. Vi har observert en høyere grad av variabilitet i venyler i forhold til arterioler (tabell 3). Videre var det større variabilitet i SO
2 målinger i den bestrålte kullet sammenlignet med ubestrålt kohort (relativ effekt størrelse på 1,62, s 0,001, tabell 3). Sagt på en annen måte, fag som hadde hatt stråling utstilt mer variasjon i sine SaO
2 og SVO
2 målinger per fartøy i forhold til emner i ubestrålt kohort. Dette funnet antyder at metabolismen av oksygen i netthinnen kan forandres etter strålebehandling.
Videre, fordi variasjonen blant forskjellige fartøyer innenfor samme emne var høy, ett enkelt fartøy i seg selv kan ikke et nøyaktig bilde av retinal oksygenering i hele netthinnen, og således i fremtidige studier sammenslåtte analyser av flere fartøyer kan være mer hensiktsmessig. Variabilitet mellom pasienter i løpet av den samme kullet var ikke signifikant forskjellig. Denne observasjonen antyder at noen potensielle effekten av stråling på retinal oksygene var lik blant de 9 fagene som fikk tilfeldig bestråling av deres netthinner.
Våre observasjoner viser at stråling ser ut til å være assosiert med økning i variasjonen i SO
2 verdier innenfor et gitt tema. Siden de fleste av de bestrålte pasientene hadde ikke-ensartet eksponering av deres netthinnen til stråling (på grunn av den bratte dose gradientene som er opprettet av intensitetsmodulerte radioterapi), kanskje den økte variabiliteten er i overensstemmelse med hypotesen om at stråling kan bevirke oksygenering av netthinnen. Ytterligere arbeid er nødvendig for å bedre forholde de romlige variasjoner i effekter sett i det tilknyttede stråledose distribusjon.
Den nåværende arbeid antyder at retinal oksymetri er en lovende tilnærming til bedre studie stråling-assosiert retinopati. Graden av variasjon mellom individer (se i begge kohorter) er trolig fysiologisk som kjente tekniske kilder til variabilitet ble minimert i denne studien [21] og målinger var svært repeterbare. Dette tyder på at det i det videre arbeidet, snarere enn bare å sammenligne bestrålt vs. ubestrålte pasienter i form av absolutt SO
2 (som kan være variabel fysiologisk), oksymetri studier av bestrålte pasienter utføres best matchet før og etter strålebehandling bilder eller med intra-pasient sammenligning av tungt bestrålt i forhold til ubestrålte retinale regioner.
mekanismen for stråling retinopati blitt foreslått å være analog med diabetisk retinopati, som involverer primært mikrovaskulær skade som fører til kronisk iskemi og neuronal celle tap over tid, og i avanserte tilfeller, neovascularization. Imidlertid er direkte bevis for oksygene endringer i bestrålte pasienter begrenset. Vi her har rapportert den første
in vivo
tegn på endret retinal oksygene etter strålebehandling i riktignok liten kohort av pasienter med korrigerbar synsskarphet. Disse observasjoner av økt SO
2 variabilitet før symptomatisk stråling retinopati kan representere tidlig precursory bevis for retinal skade fra strålebehandling.
Denne studien har visse iboende begrensninger. Fagene ble analysert etter bestråling allerede hadde blitt levert, og dermed forholdet mellom disse vaskulære endringer og stråling kan være korrelerende snarere enn forårsakende. Fremtidig arbeid vil undersøke forholdet mellom regional retinal stråledose og så
2 verdier innenfor disse områdene, og prospektivt følge pasienter med retinal oksymetri før og etter stråling.
Takk
Han anerkjenner David Fried for å få hjelp med strålingsdosimetri og Janet Bailey, Dorothy Riguera, og Lori Stravers for å få hjelp med klinisk studie ledelse. I tillegg til forfatterne erkjenner Debra Cantrell, COA og Rona Esquejo-Leon, CRA for å utføre retinal oksymetri.
