Kostengünstiges Bildgebungssystem verwendet fluoreszierende Moleküle, um die Tiefe von Tumorzellen zu bestimmen
Forscher haben ein kostengünstiges, einfaches Bildgebungssystem entwickelt, das auf den Tumor gerichtete fluoreszierende Moleküle verwendet, um die Tiefe von Tumorzellen im Körper zu bestimmen. Das tragbare System könnte Chirurgen schließlich dabei helfen, bei der Entfernung eines Tumors präziser zwischen gesundem und krebsartigem Gewebe zu unterscheiden.
Ärzte können bei der Tumorresektion fluoreszierende Moleküle verwenden, um Krebszellen zum Leuchten zu bringen, sodass der Chirurg erkennen kann, ob noch Krebsgewebe vorhanden ist. Allerdings ist die für diese Technik erforderliche Ausrüstung nicht allgemein zugänglich und liefert in der Regel keine quantitativen Informationen darüber, wie tief sich die Krebszellen im Gewebe befinden. Der Zugang zu Tiefeninformationen würde Chirurgen dabei helfen, eine vollständige gesunde Gewebeschicht um den Tumor herum zu entfernen, was nachweislich die bestmöglichen Ergebnisse für Patienten liefert.
Die wenigen kommerziellen Systeme, die quantitative Tiefeninformationen liefern, sind groß und teuer, was den Einsatz außerhalb großer medizinischer Zentren einschränkt. Unsere Gruppe baute auf früheren Arbeiten auf diesem Gebiet auf, um ein kostengünstiges, einfaches System zu entwickeln, das mithilfe von Fluoreszenzsonden im nahen Infrarot (NIR) schnell die Tiefe von Tumorzellen bestimmen kann.“
Christine M. O’Brien vom Samuel Achilefu-Labor an der Washington University School of Medicine in St. Louis, Leiterin des Forschungsteams
Die Forscher beschreiben ihr neues System in der Zeitschrift Biomedical Optics Express der Optica Publishing Group. Das tragbare und einfach zu bedienende System könnte in klinischen Zentren mit geringen Ressourcen eingesetzt werden, was dazu beitragen könnte, gesundheitliche Ungleichheiten zu minimieren.
„Systeme wie dieses könnten in Zukunft eingesetzt werden, um die chirurgischen Ergebnisse von Patienten zu verbessern, die sich einer Tumorentfernung unterziehen“, sagte O’Brien. „Es würde auch verhindern, dass auf pathologische Ergebnisse gewartet werden muss, bevor bestätigt wird, ob nach der Tumorentfernung noch Krebszellen vorhanden sind.“
Krebs zum Leuchten bringen
Untersuchungen haben gezeigt, dass chirurgische Behandlungen von Krebs in der Regel dann am erfolgreichsten sind, wenn Chirurgen nicht nur den Tumor, sondern auch eine gesunde Gewebeschicht, die ihn vollständig umgibt, entfernen. Dies kann jedoch schwierig sein, da es schwierig ist, die Grenzen zwischen dem Ende des Tumors und dem Beginn des gesunden Gewebes zu bestimmen. Darüber hinaus hängt die optimale Dicke der gesunden Schicht von der Art und Lage des Tumors ab.
Um diese Aufgabe zu unterstützen, entwickelte das Forschungsteam des Achilefu Lab unter der Leitung von O’Brien ein neues Instrument, das auf der Anwendung eines einzigen Fluoreszenzfarbstoffs während der Tumorresektion basiert, der dann durch zwei verschiedene NIR-Wellenlängen angeregt werden kann, die unterschiedlich tief in das Gewebe eindringen. Die emittierte NIR-Fluoreszenz kann durch Gewebe abgebildet werden und ermöglicht so die Erkennung von Krebszellen 1 bis 2 Zentimeter unter der Oberfläche.
Bei der Anregungsfluoreszenz mit zwei Wellenlängen wird die Tatsache ausgenutzt, dass unterschiedliche Farben oder Wellenlängen des Lichts unterschiedliche Distanzen innerhalb des Gewebes zurücklegen. Durch die Beleuchtung tumorzielgerichteter fluoreszierender Moleküle mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen und den Vergleich ihrer Reaktionen kann vorhergesagt werden, wie tief sich die tumorzielgerichteten Wirkstoffe im Gewebe befinden.
„Mehrere Forschungsgruppen haben zur Entwicklung mathematischer Beziehungen beigetragen, die die Fluorophortiefe mit ratiometrischen Fluoreszenzmessungen verknüpfen“, sagte O’Brien. „Die zunehmende Entwicklung von Nahinfrarot-Kontrastmitteln für den Einsatz in der Medizin hat uns ermutigt, auf früheren Arbeiten aufzubauen und ein System zu entwickeln, das im Nahinfrarotbereich funktioniert und außerdem kostengünstig und einfach zu verwenden ist.“
Aufbau eines Systems mit zwei Wellenlängen
Das neue Fluoreszenz-Bildgebungssystem verwendet 730-nm- und 780-nm-LEDs zur Bereitstellung der beiden Wellenlängen des Anregungslichts und eine monochrome CMOS-Kamera zur Erfassung der resultierenden Fluoreszenz. Außerdem wurde eine 850-nm-LED eingebaut, um ein Hellfeldbild zu erzeugen, das eine Korrelation der Fluoreszenzbilder mit der realen Ansicht des Gewebes ermöglicht. Die Forscher entschieden sich für die Verwendung eines im Achilefu-Labor entwickelten experimentellen Wirkstoffs namens LS301, der während der Tumorresektion verabreicht werden kann, als krebszielende Infrarotsonde, da sein breites Anregungsspektrum die Verwendung von mehr als einem Fluorophor überflüssig macht, was sonst der Fall gewesen wäre machte die klinische Anwendung komplexer. LS301 wird derzeit in klinischen Studien an Brustkrebspatientinnen getestet.
Nachdem sie das System an geschichteten synthetischen Materialien und Hühnerscheiben getestet hatten, beurteilten die Forscher seine Fähigkeit, die Tiefe eines Tumors anhand von Brusttumoren vorherzusagen, die bei Mäusen gezüchtet wurden. Dies geschah, indem den Mäusen LS301 injiziert und anschließend mit dem System abgebildet wurde. Die Aufnahme der notwendigen Bilder dauerte 5 Minuten. Die auf diesen Bildern basierenden Berechnungen korrelierten gut mit der tatsächlichen Tiefe des Tumors und zeigten einen durchschnittlichen Fehler von nur 0,34 mm, was für die klinische Verwendung wahrscheinlich akzeptabel ist.
Die Forscher arbeiten nun daran, das System für die chirurgische Führung noch nützlicher zu machen, indem sie die Datenverarbeitung beschleunigen und das System zusätzlich automatisieren, sodass es die gesamte Gewebeoberfläche scannen kann.
Quelle:
Referenz:
O’Brien, CM, et al. (2022) Quantitative Tumortiefenbestimmung mittels Dual-Wellenlängen-Anregungsfluoreszenz. Biomedizinischer Optik-Express. doi.org/10.1364/BOE.468059.
.
