Hybrid diffuse optics for translational oncology and nanobiophotonics: towards a theranostic approach for emerging cancer therapies

Abstract

A pre-clinical mouse model of human clear cell renal cell carcinoma (ccRCC) was employed as a method to study the prognostic and theranostic potential of two, non-invasive, deep tissue, diffuse optical techniques, namely broadband diffuse reflectance spectroscopy (DRS) and diffuse correlation spectroscopy (DCS). In doing so, new algorithms and methods were developed to improve the robustness and applicability of the technology and a vision is presented for its clinical translation. Hemodynamic biomarkers such as the total hemoglobin concentration (THC), blood oxygen saturation (SO2) and blood flow (BFI) that were measured in a longitudinal and quantitative fashion from deep tissue layers (> 2 mm) were used to predict the outcome of an antiangiogenic therapy, Sunitinib therapy. Hemodynamic biomarkers were shown to be useful for treatment planning prior to the onset of the therapy and, at an early stage (few days), as predictors of the therapy outcome. The second part of this work focused on another emerging class of treatments based on the nanobiophotonics as a complementary tool for improving other cancer therapies. The specific needs for the optimization of plasmon photo-thermal therapy based on customized gold nanorods was studied. Based on that, it was hypothesized that the combination of DCS and DRS would enable dose planning and in vivo on-line evaluation of the treatment effects. As a means to reach this goal, this work has shown that DRS/DCS can, estimate the in vivo PEGylated gold nanorod (AuNR-PEG) concentration and detect their accumulation and clearance from the tissues in a longitudinal manner. Furthermore, it was shown that the injection of AuNRs-PEG do not alter the tumor hemodynamics and, that, had there been any alterations, we could monitor its effects. All these studies were done with a contact probe which was previously validated but was also shown to cause some systematic effects. A proof-of-concept, scanning, non-contact system was developed and validated as a future tool to overcome these limitations. Overall, this work contributed to bridge some of the gaps in translational oncology towards the development of personalized cancer therapies.

La información hemodinámica de un modelo animal fue obtenida de manera no invasiva y longitudinal por medio de un sistema hibrido que combina las técnicas de espectroscopia de reflectancia y correlación difusa en una sonda de contacto; donde algunos de los factores que afectan la adquisición y el procesamiento de los datos fueron resueltos a través de un algoritmo desarrollado para este fin. Esta información fue obtenida en dos campos de investigación, la oncología traslacional y la nanobiofotónica. En el campo de la oncología traslacional, la información hemodinámica fue monitoreada `opticamente durante la administración de terapia antiangiogénica, permitiendo predecir desde las mediciones previas al tratamiento, la resistencia intrínseca de los tumores al tratamiento. Además, se observó que los cambios en los parámetros hemodinámicos al día tres de iniciado el tratamiento están correlacionados con el pronóstico post-terapéutico. En el campo de la nanobiofotónica, los parámetros hemodinámicos y la concentración de nanotubos de oro funcionalizados (AuNRs-PEG) fueron cuantificados simultáneamente. Se demostró que la concentración de AuNRs-PEG estimada por medio de las tecnicas de optica difusa es proporcional a la obtenida por métodos comerciales para la cuantificación ex vivo de oro en tejidos. Además, la hemodinámica se mantuvo estable aun con AuNRs-PEG circulando en la sangre, demostrando que no hay interacción entre dichos parámetros. De manera adicional, se introdujo la versión de no contacto de este sistema como un método potencial para la obtención de información hemodinámica en futuras aplicaciones. En general, este trabajo contribuye a cubrir algunas de las necesidades en los campos de la oncología traslacional y la nanobiofotónica, con vistas al desarrollo de terapias teranosticas contra el cáncer.