Niedrogi system obrazowania wykorzystuje cząsteczki fluorescencyjne do określenia głębokości komórek nowotworowych

Niedrogi system obrazowania wykorzystuje cząsteczki fluorescencyjne do określenia głębokości komórek nowotworowych

Naukowcy opracowali tani i prosty system obrazowania, który wykorzystuje cząsteczki fluorescencyjne ukierunkowane na nowotwór w celu określenia głębokości komórek nowotworowych w organizmie. Przenośny system może ostatecznie pomóc chirurgom w dokładniejszym rozróżnianiu tkanki zdrowej od nowotworowej podczas usuwania guza.

Podczas resekcji guza lekarze mogą używać cząsteczek fluorescencyjnych, aby nadać komórkom nowotworowym blask, umożliwiając chirurgowi sprawdzenie, czy tkanka nowotworowa jest nadal obecna. Jednakże sprzęt wymagany do tej techniki nie jest powszechnie dostępny i zazwyczaj nie dostarcza informacji ilościowych na temat głębokości komórek nowotworowych w tkance. Dostęp do szczegółowych informacji pomógłby chirurgom usunąć całą warstwę zdrowej tkanki wokół guza, co, jak udowodniono, zapewnia pacjentom najlepsze możliwe wyniki.

Nieliczne komercyjne systemy dostarczające ilościowych informacji o głębokości są duże i drogie, co ogranicza ich zastosowanie poza dużymi ośrodkami medycznymi. Nasza grupa wykorzystała wcześniejsze prace w tej dziedzinie, aby opracować tani, prosty system, który może szybko określić głębokość komórek nowotworowych za pomocą sond fluorescencyjnych w bliskiej podczerwieni (NIR).

Christine M. O’Brien z Samuel Achilefu Laboratory w Washington University School of Medicine w St. Louis, liderka zespołu badawczego

Naukowcy opisują swój nowy system w czasopiśmie Optica Publishing Group Biomedical Optics Express. Przenośny i łatwy w obsłudze system mógłby być stosowany w ośrodkach klinicznych o niskich zasobach, co mogłoby pomóc zminimalizować dysproporcje w stanie zdrowia.

„Takie systemy można będzie wykorzystać w przyszłości w celu poprawy wyników zabiegów chirurgicznych u pacjentów poddawanych usunięciu guza” – powiedział O'Brien. „Wyeliminowałoby to również potrzebę oczekiwania na wyniki patologii przed potwierdzeniem, czy komórki nowotworowe są nadal obecne po usunięciu guza”.

Sprawienie, że rak zabłyśnie

Badania wykazały, że chirurgiczne leczenie raka jest zwykle najskuteczniejsze, gdy chirurdzy usuwają nie tylko guz, ale także zdrową warstwę tkanki, która całkowicie go otacza. Może to być jednak trudne, ponieważ trudno jest określić granicę między końcem guza a początkiem zdrowej tkanki. Ponadto optymalna grubość zdrowej warstwy zależy od rodzaju i lokalizacji guza.

Aby wesprzeć to zadanie, zespół badawczy Achilefu Lab kierowany przez O’Briena opracował nowe narzędzie polegające na nałożeniu podczas resekcji guza pojedynczego barwnika fluorescencyjnego, który można następnie wzbudzić dwiema różnymi długościami fal NIR, które wnikają na różne głębokości w tkankę. Emitowaną fluorescencję NIR można obrazować przez tkankę, co pozwala na wykrycie komórek nowotworowych 1–2 centymetry pod powierzchnią.

Fluorescencja wzbudzenia o podwójnej długości fali wykorzystuje fakt, że różne kolory lub długości fal światła pokonują różne odległości w tkance. Naświetlając cząsteczki fluorescencyjne nakierowane na nowotwór różnymi długościami fal światła i porównując ich reakcje, można przewidzieć, jak głęboko w tkance znajdują się środki nakierowane na nowotwór.

„Kilka grup badawczych przyczyniło się do opracowania zależności matematycznych łączących głębokość fluoroforu z racjonalnymi pomiarami fluorescencji” – powiedział O'Brien. „Rosnący rozwój środków kontrastowych działających w bliskiej podczerwieni do stosowania w medycynie zachęcił nas do wykorzystania wcześniejszych prac i opracowania systemu, który działa w zakresie bliskiej podczerwieni, a jednocześnie jest niedrogi i łatwy w użyciu”.

Budowa układu wykorzystującego dwie długości fal

Nowy system obrazowania fluorescencyjnego wykorzystuje diody LED o długości fali 730 nm i 780 nm, aby zapewnić dwie długości fal światła wzbudzającego, oraz monochromatyczną kamerę CMOS do przechwytywania powstałej fluorescencji. Zastosowano także diodę LED o długości fali 850 nm, która generuje obraz w jasnym polu, umożliwiając korelację obrazów fluorescencyjnych z rzeczywistym widokiem tkanki. Naukowcy zdecydowali się użyć środka eksperymentalnego opracowanego w laboratorium Achilefu o nazwie LS301, który można podać podczas resekcji guza, jako sondy na podczerwień nakierowanej na nowotwór, ponieważ jego szerokie spektrum wzbudzenia eliminuje potrzebę stosowania więcej niż jednego fluoroforu, co w przeciwnym razie utrudniłoby zastosowanie kliniczne. LS301 jest obecnie testowany w badaniach klinicznych na pacjentach z rakiem piersi.

Po przetestowaniu systemu na warstwowych materiałach syntetycznych i plasterkach kurczaka naukowcy ocenili jego zdolność do przewidywania głębokości guza na podstawie guzów sutka hodowanych na myszach. Dokonano tego poprzez wstrzyknięcie myszom LS301, a następnie wykonanie obrazowania za pomocą systemu. Wykonanie niezbędnych zdjęć zajęło 5 minut. Obliczenia oparte na tych obrazach dobrze korelowały z rzeczywistą głębokością guza i wykazały średni błąd wynoszący zaledwie 0,34 mm, co jest prawdopodobnie akceptowalne w zastosowaniu klinicznym.

Naukowcy pracują obecnie nad uczynieniem systemu jeszcze bardziej przydatnym w prowadzeniu zabiegów chirurgicznych, przyspieszając przetwarzanie danych i dodając do systemu dodatkową automatyzację, aby mógł skanować całą powierzchnię tkanki.

Źródło:

optyka

Odniesienie:

O'Brien, CM i in. (2022) Ilościowe określenie głębokości guza za pomocą fluorescencji wzbudzającej o dwóch długościach fali. Ekspres Optyki Biomedycznej. doi.org/10.1364/BOE.468059.

.