Een goedkoop beeldvormingssysteem maakt gebruik van fluorescerende moleculen om de diepte van tumorcellen te bepalen

Een goedkoop beeldvormingssysteem maakt gebruik van fluorescerende moleculen om de diepte van tumorcellen te bepalen

Onderzoekers hebben een goedkoop, eenvoudig beeldvormingssysteem ontwikkeld dat op tumor gerichte fluorescerende moleculen gebruikt om de diepte van tumorcellen in het lichaam te bepalen. Het draagbare systeem zou chirurgen uiteindelijk kunnen helpen nauwkeuriger onderscheid te maken tussen gezond en kankerweefsel bij het verwijderen van een tumor.

Artsen kunnen tijdens tumorresectie fluorescerende moleculen gebruiken om kankercellen te laten gloeien, waardoor de chirurg kan zien of er nog steeds kankerweefsel aanwezig is. De apparatuur die voor deze techniek nodig is, is echter niet overal verkrijgbaar en biedt doorgaans geen kwantitatieve informatie over hoe diep de kankercellen zich in het weefsel bevinden. Toegang tot diepgaande informatie zou chirurgen helpen een volledige laag gezond weefsel rond de tumor te verwijderen, wat bewezen de best mogelijke resultaten voor patiënten oplevert.

De weinige commerciële systemen die kwantitatieve diepte-informatie verschaffen zijn groot en duur, waardoor het gebruik buiten grote medische centra wordt beperkt. Onze groep bouwde voort op eerder werk op dit gebied om een ​​goedkoop, eenvoudig systeem te ontwikkelen dat snel de diepte van tumorcellen kan bepalen met behulp van nabij-infrarood (NIR) fluorescerende sondes.”

Christine M. O’Brien van het Samuel Achilefu Laboratory aan de Washington University School of Medicine in St. Louis, leider van het onderzoeksteam

De onderzoekers beschrijven hun nieuwe systeem in het tijdschrift Biomedical Optics Express van de Optica Publishing Group. Het draagbare en gebruiksvriendelijke systeem zou kunnen worden gebruikt in klinische centra met weinig middelen, wat de gezondheidsverschillen zou kunnen helpen minimaliseren.

“Systemen als deze zouden in de toekomst kunnen worden gebruikt om de chirurgische resultaten te verbeteren voor patiënten die een tumorverwijdering ondergaan”, aldus O’Brien. “Het zou ook de noodzaak elimineren om te wachten op pathologische resultaten alvorens te bevestigen of kankercellen nog steeds aanwezig zijn na verwijdering van de tumor.”

Kanker laten stralen

Onderzoek heeft aangetoond dat chirurgische behandelingen voor kanker meestal het meest succesvol zijn wanneer chirurgen niet alleen de tumor verwijderen, maar ook een gezonde laag weefsel die de tumor volledig omringt. Dit kan echter lastig zijn, omdat het moeilijk is om de grenzen te bepalen tussen het einde van de tumor en het begin van gezond weefsel. Bovendien hangt de optimale dikte van de gezonde laag af van het type en de locatie van de tumor.

Om deze taak te ondersteunen heeft het onderzoeksteam van Achilefu Lab onder leiding van O’Brien een nieuw hulpmiddel ontwikkeld, gebaseerd op de toepassing van een enkele fluorescerende kleurstof tijdens tumorresectie, die vervolgens kan worden aangeslagen door twee verschillende NIR-golflengten die verschillende diepten in het weefsel doordringen. De uitgezonden NIR-fluorescentie kan door weefsel heen worden afgebeeld, waardoor kankercellen 1 tot 2 centimeter onder het oppervlak kunnen worden gedetecteerd.

Excitatiefluorescentie met dubbele golflengte maakt gebruik van het feit dat verschillende kleuren of golflengten van licht verschillende afstanden binnen het weefsel afleggen. Door op tumoren gerichte fluorescerende moleculen te belichten met verschillende golflengten van licht en hun reacties te vergelijken, is het mogelijk te voorspellen hoe diep de op tumoren gerichte middelen zich in het weefsel bevinden.

"Verschillende onderzoeksgroepen hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van wiskundige relaties die de diepte van fluorofoor koppelen aan ratiometrische fluorescentiemetingen", aldus O'Brien. “De toenemende ontwikkeling van nabij-infraroodcontrastmiddelen voor gebruik in de geneeskunde moedigde ons aan om voort te bouwen op eerder werk en een systeem te ontwikkelen dat werkt in het nabij-infraroodbereik en ook goedkoop en gemakkelijk te gebruiken is.”

Een systeem bouwen met twee golflengten

Het nieuwe fluorescentiebeeldvormingssysteem maakt gebruik van LED's van 730 nm en 780 nm om de twee golflengten van excitatielicht te leveren en een monochrome CMOS-camera om de resulterende fluorescentie vast te leggen. Er werd ook een LED van 850 nm ingebouwd om een ​​helder veldbeeld te genereren, waardoor correlatie van de fluorescentiebeelden met het werkelijke beeld van het weefsel mogelijk werd. De onderzoekers kozen ervoor om een ​​experimenteel middel te gebruiken dat is ontwikkeld in het Achilefu-laboratorium, LS301 genaamd, en dat kan worden toegediend tijdens tumorresectie, als een op kanker gerichte infraroodsonde, omdat het brede excitatiespectrum de noodzaak elimineert om meer dan één fluorofoor te gebruiken, wat anders de klinische toepassing complexer zou hebben gemaakt. LS301 wordt momenteel getest in klinische onderzoeken bij borstkankerpatiënten.

Na het testen van het systeem op gelaagde synthetische materialen en plakjes kip, beoordeelden de onderzoekers het vermogen ervan om de diepte van een tumor te voorspellen met behulp van borsttumoren die bij muizen waren gekweekt. Dit werd gedaan door de muizen te injecteren met LS301 en ze vervolgens in beeld te brengen met het systeem. Het vastleggen van de benodigde beelden duurde 5 minuten. De berekeningen op basis van deze beelden correleerden goed met de werkelijke diepte van de tumor en vertoonden een gemiddelde fout van slechts 0,34 mm, wat waarschijnlijk acceptabel is voor klinisch gebruik.

De onderzoekers werken er nu aan om het systeem nog bruikbaarder te maken voor chirurgische begeleiding door de gegevensverwerking te versnellen en extra automatisering aan het systeem toe te voegen, zodat het het volledige weefseloppervlak kan scannen.

Bron:

optiek

Referentie:

O'Brien, CM, et al. (2022) Kwantitatieve bepaling van de tumordiepte met behulp van excitatiefluorescentie met dubbele golflengte. Biomedische Optica Express. doi.org/10.1364/BOE.468059.

.