Billig billeddannelsessystem til lave omkostninger bruger fluorescerende molekyler til at bestemme dybden af ​​tumorceller

Billig billeddannelsessystem til lave omkostninger bruger fluorescerende molekyler til at bestemme dybden af ​​tumorceller

Forskere har udviklet et billigt, simpelt billeddannelsessystem, der bruger tumormålrettede fluorescerende molekyler til at bestemme dybden af ​​tumorceller i kroppen. Det bærbare system kunne i sidste ende hjælpe kirurger til mere præcist at skelne mellem sundt og kræftvæv, når de fjerner en tumor.

Læger kan bruge fluorescerende molekyler under tumorresektion for at få kræftceller til at lyse, så kirurgen kan se, om kræftvæv stadig er til stede. Det udstyr, der kræves til denne teknik, er dog ikke bredt tilgængeligt og giver typisk ikke kvantitativ information om, hvor dybt kræftcellerne er i vævet. Adgang til dyb information vil hjælpe kirurger med at fjerne et komplet lag af sundt væv omkring tumoren, som har vist sig at give de bedst mulige resultater for patienterne.

De få kommercielle systemer, der giver kvantitativ dybdeinformation, er store og dyre, hvilket begrænser brugen uden for store medicinske centre. Vores gruppe byggede på tidligere arbejde på dette område for at udvikle et billigt, enkelt system, der hurtigt kan bestemme dybden af ​​tumorceller ved hjælp af nær-infrarøde (NIR) fluorescerende prober."

Christine M. O'Brien fra Samuel Achilefu Laboratory ved Washington University School of Medicine i St. Louis, leder af forskerholdet

Forskerne beskriver deres nye system i Optica Publishing Group-tidsskriftet Biomedical Optics Express. Det bærbare og brugervenlige system kunne bruges i lavressourcemæssige kliniske centre, hvilket kunne hjælpe med at minimere sundhedsforskelle.

"Systemer som dette kan bruges i fremtiden til at forbedre kirurgiske resultater for patienter, der gennemgår tumorfjernelse," sagde O'Brien. "Det ville også eliminere behovet for at vente på patologiske resultater, før det bekræftes, om kræftceller stadig er til stede efter tumorfjernelse."

Får kræften til at skinne

Forskning har vist, at kirurgiske behandlinger for kræft sædvanligvis er mest vellykkede, når kirurger fjerner ikke kun tumoren, men også et sundt lag væv, der helt omgiver den. Dette kan dog være svært, fordi det er svært at bestemme grænserne mellem slutningen af ​​tumoren og begyndelsen af ​​sundt væv. Derudover afhænger den optimale tykkelse af det sunde lag af tumorens type og placering.

For at understøtte denne opgave udviklede Achilefu Labs forskningsteam ledet af O'Brien et nyt værktøj baseret på anvendelsen af ​​et enkelt fluorescerende farvestof under tumorresektion, som derefter kan exciteres af to forskellige NIR-bølgelængder, der trænger forskellige dybder ind i vævet. Den udsendte NIR-fluorescens kan afbildes gennem væv, hvilket muliggør påvisning af kræftceller 1 til 2 centimeter under overfladen.

Excitationsfluorescens med dobbelt bølgelængde udnytter det faktum, at forskellige farver eller bølgelængder af lys rejser forskellige afstande i vævet. Ved at belyse tumor-målrettede fluorescerende molekyler med forskellige bølgelængder af lys og sammenligne deres reaktioner, er det muligt at forudsige, hvor dybt de tumor-målrettede midler er placeret i vævet.

"Flere forskningsgrupper har bidraget til udviklingen af ​​matematiske relationer, der forbinder fluorofordybde til ratiometriske fluorescensmålinger," sagde O'Brien. "Den stigende udvikling af nær-infrarøde kontrastmidler til brug i medicin tilskyndede os til at bygge videre på tidligere arbejde og udvikle et system, der fungerer i det nær-infrarøde område og også er billigt og nemt at bruge."

Opbygning af et system med to bølgelængder

Det nye fluorescensbilleddannelsessystem bruger 730 nm og 780 nm LED'er til at give de to bølgelængder af excitationslys og et monokromt CMOS-kamera til at fange den resulterende fluorescens. En 850 nm LED blev også indbygget for at generere et lyst feltbillede, hvilket muliggjorde korrelation af fluorescensbillederne med det virkelige billede af vævet. Forskerne valgte at bruge et eksperimentelt middel udviklet i Achilefu-laboratoriet kaldet LS301, som kan administreres under tumorresektion, som en cancer-målrettet infrarød sonde, fordi dets brede excitationsspektrum eliminerer behovet for at bruge mere end én fluorofor, hvilket ellers ville have gjort den kliniske anvendelse mere kompleks. LS301 testes i øjeblikket i kliniske forsøg på brystkræftpatienter.

Efter at have testet systemet på lagdelte syntetiske materialer og kyllingeskiver vurderede forskerne dets evne til at forudsige dybden af ​​en tumor ved hjælp af brysttumorer dyrket i mus. Dette blev gjort ved at injicere musene med LS301 og derefter afbilde dem med systemet. Det tog 5 minutter at tage de nødvendige billeder. Beregningerne baseret på disse billeder korrelerede godt med tumorens faktiske dybde og viste en gennemsnitlig fejl på kun 0,34 mm, hvilket sandsynligvis er acceptabelt til klinisk brug.

Forskerne arbejder nu på at gøre systemet endnu mere anvendeligt til kirurgisk vejledning ved at fremskynde databehandlingen og tilføje yderligere automatisering til systemet, så det kan scanne hele vævsoverfladen.

Kilde:

optik

Reference:

O'Brien, CM, et al. (2022) Kvantitativ tumordybdebestemmelse ved hjælp af dobbeltbølgelængde excitationsfluorescens. Biomedicinsk Optik Express. doi.org/10.1364/BOE.468059.

.