The absorption and transport scattering coefficients of biological tissues determine the radial dependence of the diffuse reflectance that is due to a point source. A system is described for making remote measurements of spatially resolved absolute diffuse reflectance and hence noninvasive, noncontact estimates of the tissue optical properties. The system incorporated a laser source and a CCD camera. Deflection of the incident beam into the camera allowed characterization of the source for absolute reflectance measurements. It is shown that an often used solution of the diffusion equation cannot be applied for these measurements. Instead, a neural network, trained on the results of Monte Carlo simulations, was used to estimate the absorption and scattering coefficients from the reflectance data. Tests on tissue-simulating phantoms with transport scattering coefficients between 0.5 and 2.0 mm−1 and absorption coefficients between 0.002 and 0.1 mm−1 showed the rms errors of this technique to be 2.6% for the transport scattering coefficient and 14% for the absorption coefficients. The optical properties of bovine muscle, adipose, and liver tissue, as well as chicken muscle (breast), were also measured exυiυo at 633 and 751 nm. For muscle tissue it was found that the Monte Carlo simulation did not agree with experimental measurements of reflectance at distances less than 2 mm from the incident beam.

Abstract Purpose: Anticancer drugs gain access to solid tumors via the circulatory system and must penetrate the tissue to kill cancer cells. Here, we study the distribution of doxorubicin in relation to blood vessels and regions of hypoxia in solid tumors of mice. Experimental Design: The distribution of doxorubicin was quantified by immunofluorescence in relation to blood vessels (recognized by CD31) of murine 16C and EMT6 tumors and human prostate cancer PC-3 xenografts. Hypoxic regions were identified by injection of EF5. Results: The concentration of doxorubicin decreases exponentially with distance from tumor blood vessels, decreasing to half its perivascular concentration at a distance of about 40 to 50 μm, The mean distance from blood vessels to regions of hypoxia is 90 to 140 μm in these tumors. Many viable tumor cells are not exposed to detectable concentrations of drug following a single injection. Conclusions: Limited distribution of doxorubicin in solid tumors is an important and neglected cause of clinical resistance that is amenable to modification. The technique described here can be adapted to studying the distribution of other drugs within solid tumors and the effect of strategies to modify their distribution.

SignificancePersonalized photodynamic therapy (PDT) treatment planning requires knowledge of the spatial and temporal co-localization of photons, photosensitizers (PSs), and oxygen. The inter- and intra-subject variability in the photosensitizer concentration can lead to suboptimal outcomes using standard treatment plans.AimWe aim to quantify the PS spatial variation in tumors and its effect on PDT treatment planning solutions.ApproachThe spatial variability of two PSs is imaged at various spatial resolutions for an orthotopic rat glioma model and applied in silico to human glioblastoma models to determine the spatial PDT dose, including in organs at risk. An open-source interstitial photodynamic therapy (iPDT) planning tool is applied to these models, deriving the spatial photosensitizer quantification resolution that consistently impacts iPDT source placement and power allocation.ResultsThe ex vivo studies revealed a bimodal photosensitizer distribution in the tumor. The concentration of the PS can vary by a factor of 2 between the tumor core and rim, with slight variation within the core but a factor of 5 in the rim. An average sampling volume of 1 mm3 for photosensitizer quantification will result in significantly different iPDT planning solutions for each case.ConclusionsAssuming homogeneous photosensitizer distribution results in suboptimal therapeutic outcomes, we highlight the need to predict the photosensitizer distribution before source placement for effective treatment plans.

Blood vessels transport blood and deliver essential molecules to cells. In cancer, the tumour vasculature evolves very differently from healthy tissue, not only in morphology but also in functionality. Comprehensive 3D in vivo imaging of the tumour microcirculatory system thus might lead to a clearer understanding of the vascular role in tumour growth and response to cancer therapy. Here, we employed two optical coherence tomography (OCT) extensions, speckle-variance and Doppler, to study the microvascular architecture and blood flow in normal murine and xenograft tumour tissue. We explored the biophysics of blood flow in microcirculation and extracted relevant quantification features such as vessel diameters and velocity histograms, and combined diameter–velocity plots. It was demonstrated that tumour microcirculation evolves in time and differs from healthy tissue, impacting tumour growth kinetics. This proof-of-principle study demonstrates the potential of OCT to provide an understanding of the temporal evolution of the tumour vasculature and its relationship with tumour development.

In Photodynamic Therapy (PDT), light is used to activate photosensitizers (PS) to generate reactive oxygen species (ROS) as a cell-killing mechanism. However, PDT's application is limited to the surface and small size tumors because of the inefficiency of light in penetrating larger and deep-seated tumors. We have developed novel nanoparticles (NPs) that can be activated by radiation, a process known as the radiation-activated PDT (radioPDT). In our studies we developed a new variant of pegylated poly-lactic-co-glycolic (PEG-PLGA) encapsulated nanoscintillators (NSC) and ruthenium-based photosensitizer (Ru/rPDT) that exhibits minimal cell toxicity while having significant cell killing effect upon radiation activation. Our data suggest that radioPDT with Ru/rPDT can be a more effective strategy than previous protoporphyrin-based iterations in treating many deep-seated tumors. Introduction and Background: Toxicity and normal tissue damage are limiting factors for the application of radiotherapy (RT) where higher doses of radiation is required to cure deep-seated tumor such as prostate cancer. In Photodynamic Therapy (PDT), photosensitizers (PS) are activated by light to generate reactive oxygen species (ROS) to kill tumor cells. However, the main limitation of the current PDT is the limited tissue penetration of PS-activating light. Thus, PDT cannot be effectively used to treat deep-seated and larger size tumors. RT has higher tissue penetration depth, making the radiation-activated PDT (radioPDT) advantageous in treating deep seated tumors. We aim to develop novel radioPDT nanoparticles (NP) with more efficient anti-cancer therapeutic effect in vitro and in vivo to enhance targeted radiotherapy. Methods: LaF3:Ce3+ nanoscintillators (NSCs) were synthesized in a single step wet chemistry technique. The NSCs along with Ruthenium-based PS (Ru) with matching excitation/emission spectra were successfully encapsulated in PEG-PLGA. UV-Vis spectrometry and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) were used to confirm the presence of NSCs and Ru, and dynamic light scattering (DLS) and transmission electron microscopy (TEM) were used to determine the size of NP. Singlet oxygen generation was measured by Singlet Oxygen Sensor Green (SOSG) and direct singlet oxygen fluorescence. RadioPDT therapeutic potential was evaluated in PC3 prostate cancer cell under radiation by Alamar Blue cell viability assay. Results: UV-Vis spectrometry and ICP-MS determined the successful PEG-PLGA encapsulation of NSC and Ru. The TEM imaging confirmed the encapsulation NSC inside the nanocarrier PEG-PLGA. TEM and DLS measurements showed the size of radioNP ranged from 90nm to 150nm with polydispersity index of <0.3. Singlet oxygen generation by Ru/rPDT NPs was greater than PPIX based radioPDT (PPIX/rPDT) NPs. Furthermore, the direct measurement of singlet oxygen generation with fluorescence spectroscopy of Ru/rPDT showed preserved singlet oxygen yield and no evidence of quenching. The Ru/rPDT and PPIX/rPDT showed minimal PC3 cell cytotoxicity in dark conditions. The PC3 cell killing efficiency was comparable between Ru/rPDT and PPIX/rPDT either under light or radiation activation. Conclusion: Our in vitro studies show Ru/rPDT significantly increases anti-cancer therapeutic effect of RT, with minimal toxicity. Future studies will refine in vivo NP biodistribution, dosing, and RT dose/fractionation schemes.

Photodynamic therapy (PDT) is a treatment modality clinically approved for several oncologic indications, including esophageal and endobronchial cancers, precancerous conditions including Barrett's esophagus and actinic keratosis, and benign conditions like age-related macular degeneration. While it is currently clinically underused, PDT is an area of significant research interest. Because PDT relies on the absorption of light energy by intrinsic or administered absorbers, the dosimetric quantity of interest is the absorbed energy per unit mass of tissue, proportional to the fluence rate of light in tissue. It has been demonstrated that the fluence rate at the tissue surface may differ significantly from the incident irradiance of light because of multiple scattering and absorption, both of which may vary among patients and tissue types. This report will review the current state-of-the-art fluence rate dosimetry technology. It will describe the two types of detectors currently available for fluence rate measurement, scattering-tip and fluorescence-based detectors, and review their principles of operation. The report will recommend strategies to establish calibration and quality assurance procedures for clinical fluence rate dosimetry equipment, and it will establish guidelines for clinical implementation of fluence rate dosimetry.