Hybrid diffuse optics for monitoring of tissue hemodynamics with applications in oncology

Abstract

Noninvasive measurement of hemodynamics at the microvascular level may have a great impact on oncology in clinics for diagnosis, therapy planning and monitoring, and, in preclinical studies. To this end, diffuse optics is a strong candidate for noninvasive, repeated, deep tissue monitoring. In this multi-disciplinary, translational work, I have constructed and deployed hybrid devices which are the combination of two qualitatively different methods, near infrared diffuse optical spectroscopy (NIRS) and diffuse correlation spectroscopy (DCS), for simultaneous measurement of microvascular total hemoglobin concentration, blood oxygen saturation and blood flow. In a preclinical study, I applied the hybrid device to monitor the response of renal cell carcinoma in mice to antiangiogenic therapy. The results suggest that we can predict the output of therapy from early hemodynamic changes, which provide us with valuable information for better understanding of the tumor resistance mechanism to antiangiogenic therapies. In two in vivo studies in human volunteers, I have developed protocols and probes to demonstrate the feasibility of noninvasive diffuse optical spectroscopy to investigate the pathophysiology of bone. First study was study on the physiology of the patella microvasculature, the other introduced the manubrium as a site that is rich in red bone mar- row and accessible to diffuse optics as a potential window to monitor the progression of hematological malignancies. Overall, during my Ph.D., I have developed instrumentation, algorithms and protocols and, then, applied this technique for preclinical and clinical investigations. My research is a link between preclinical and clinical studies and it opens new areas of applications in oncology.

La medición no invasiva de la hemodinámica a nivel microvascular puede alcanzar un gran impacto en oncología: en las clínicas para el diagnóstico, la planeación y monitorización de las terapias, y en estudios preclínicos. La óptica difusa es una fuerte candidata para la monitorización no invasiva y repetida del tejido profundo. En este trabajo multidisciplinario y traslacional, construí e implementé dispositivos híbridos que son la combinación de dos métodos cualitativamente diferentes: espectroscopía infrarroja de óptica difusa -near infrared diffuse optical spectroscopy (NIRS)- y espectroscopía de correlación de luz difusa -diffuse correlation spectroscopy (DCS)-. Estos híbridos permiten la medición simultánea de la concentración de hemoglobina total en sangre, la saturación de oxígeno y el flujo sanguíneo. En un estudio preclínico, apliqué el dispositivo híbrido para monitorizar la respuesta de carcinomas de células renales, implantados en ratones, a terapias antiangiogénicas. Los resultados sugieren que podemos predecir la evolución de la terapia con base en cambios hemodinámicos tempranos, lo cual proporciona información valiosa para un mejor entendimiento del mecanismo de resistencia de los tumores a las terapias antiangiogénicas. En dos estudios in vivo realizados en pacientes voluntarios, desarrollé protocolos y sondas para demostrar la viabilidad de la espectroscopía de óptica difusa no invasiva en el estudio de la patofisiología ósea. El primer estudio se concentró en la fisiología microvascular de la rótula y en el otro se muestra que el manubrio, hueso rico en médula ósea roja, es un sitio accesible para la óptica difusa, y se presenta como una ventana para monitorizar la progresión de enfermedades hematológicas malignas. En resumen, durante mi trabajo doctoral, desarrollé instrumentación, algoritmos y protocolos que posteriormente apliqué en estudios preclínicos y clínicos. Mi trabajo de investigación constituye así un enlace entre estos estudios y abre nuevas áreas de aplicación en oncología.