Nízkonákladový zobrazovací systém využíva fluorescenčné molekuly na určenie hĺbky nádorových buniek

Nízkonákladový zobrazovací systém využíva fluorescenčné molekuly na určenie hĺbky nádorových buniek

Výskumníci vyvinuli lacný, jednoduchý zobrazovací systém, ktorý využíva na nádor cielené fluorescenčné molekuly na určenie hĺbky nádorových buniek v tele. Prenosný systém by časom mohol pomôcť chirurgom presnejšie rozlíšiť zdravé a rakovinové tkanivo pri odstraňovaní nádoru.

Lekári môžu použiť fluorescenčné molekuly počas resekcie nádoru, aby rakovinové bunky žiarili, čo chirurgovi umožňuje zistiť, či je rakovinové tkanivo stále prítomné. Vybavenie potrebné pre túto techniku ​​však nie je široko dostupné a zvyčajne neposkytuje kvantitatívne informácie o tom, ako hlboko sú rakovinové bunky v tkanive. Prístup k hlbokým informáciám by pomohol chirurgom odstrániť kompletnú vrstvu zdravého tkaniva okolo nádoru, čo preukázateľne poskytuje pacientom najlepšie možné výsledky.

Niekoľko komerčných systémov, ktoré poskytujú kvantitatívne hĺbkové informácie, je veľkých a drahých, čo obmedzuje použitie mimo veľkých lekárskych centier. Naša skupina nadviazala na predchádzajúcu prácu v tejto oblasti, aby vyvinula lacný, jednoduchý systém, ktorý dokáže rýchlo určiť hĺbku nádorových buniek pomocou fluorescenčných sond v blízkosti infračerveného žiarenia (NIR).

Christine M. O’Brien z Laboratória Samuela Achilefu na Lekárskej fakulte Washingtonskej univerzity v St. Louis, vedúca výskumného tímu

Výskumníci opísali svoj nový systém v časopise Optica Publishing Group Biomedical Optics Express. Prenosný a ľahko použiteľný systém by sa dal použiť v klinických centrách s nízkymi zdrojmi, čo by mohlo pomôcť minimalizovať zdravotné rozdiely.

"Systémy, ako je tento, by sa v budúcnosti mohli použiť na zlepšenie chirurgických výsledkov u pacientov podstupujúcich odstránenie nádoru," povedal O'Brien. "Tiež by to eliminovalo potrebu čakať na výsledky patológie pred potvrdením, či sú rakovinové bunky stále prítomné po odstránení nádoru."

Rozžiariť rakovinu

Výskum ukázal, že chirurgická liečba rakoviny je zvyčajne najúspešnejšia, keď chirurgovia odstránia nielen nádor, ale aj zdravú vrstvu tkaniva, ktorá ho úplne obklopuje. To však môže byť ťažké, pretože je ťažké určiť hranice medzi koncom nádoru a začiatkom zdravého tkaniva. Okrem toho optimálna hrúbka zdravej vrstvy závisí od typu a lokalizácie nádoru.

Na podporu tejto úlohy výskumný tím Achilefu Lab pod vedením O’Briena vyvinul nový nástroj založený na aplikácii jediného fluorescenčného farbiva počas resekcie nádoru, ktorý potom môže byť excitovaný dvoma rôznymi vlnovými dĺžkami NIR, ktoré prenikajú do rôznych hĺbok tkaniva. Vyžarovaná fluorescencia NIR môže byť zobrazená cez tkanivo, čo umožňuje detekciu rakovinových buniek 1 až 2 centimetre pod povrchom.

Duálna vlnová dĺžka excitačnej fluorescencie využíva skutočnosť, že rôzne farby alebo vlnové dĺžky svetla prechádzajú rôznymi vzdialenosťami v rámci tkaniva. Osvetlením fluorescenčných molekúl zacielených na nádor rôznymi vlnovými dĺžkami svetla a porovnaním ich reakcií je možné predpovedať, ako hlboko sa v tkanive nachádzajú činidlá zacielené na nádor.

"Niekoľko výskumných skupín prispelo k rozvoju matematických vzťahov, ktoré spájajú hĺbku fluorofóru s pomerovými meraniami fluorescencie," povedal O'Brien. "Rastúci vývoj kontrastných činidiel pre blízke infračervené žiarenie na použitie v medicíne nás povzbudil, aby sme nadviazali na predchádzajúcu prácu a vyvinuli systém, ktorý funguje v oblasti blízkeho infračerveného žiarenia a je tiež lacný a ľahko sa používa."

Budovanie systému s dvoma vlnovými dĺžkami

Nový fluorescenčný zobrazovací systém využíva 730 nm a 780 nm LED diódy na poskytovanie dvoch vlnových dĺžok excitačného svetla a monochromatickú CMOS kameru na zachytenie výslednej fluorescencie. 850 nm LED bola tiež začlenená na generovanie obrazu jasného poľa, čo umožňuje koreláciu fluorescenčných obrazov so skutočným pohľadom na tkanivo. Výskumníci sa rozhodli použiť experimentálne činidlo vyvinuté v laboratóriu Achilefu s názvom LS301, ktoré možno podávať počas resekcie nádoru, ako infračervenú sondu zameranú na rakovinu, pretože jej široké excitačné spektrum eliminuje potrebu použitia viac ako jedného fluorofóru, čo by inak robilo klinickú aplikáciu zložitejšou. LS301 sa v súčasnosti testuje v klinických štúdiách na pacientoch s rakovinou prsníka.

Po testovaní systému na vrstvených syntetických materiáloch a kuracích plátkoch výskumníci zhodnotili jeho schopnosť predpovedať hĺbku nádoru pomocou nádorov prsníka pestovaných na myšiach. Toto sa uskutočnilo injekciou myši LS301 a následným zobrazením systému. Nasnímanie potrebných obrázkov trvalo 5 minút. Výpočty založené na týchto obrázkoch dobre korelovali so skutočnou hĺbkou nádoru a ukázali priemernú chybu iba 0,34 mm, čo je pravdepodobne prijateľné pre klinické použitie.

Vedci teraz pracujú na tom, aby bol systém ešte užitočnejší pre chirurgické navádzanie zrýchlením spracovania údajov a pridaním ďalšej automatizácie do systému, aby mohol skenovať celý povrch tkaniva.

Zdroj:

optika

Referencia:

O'Brien, CM, a kol. (2022) Kvantitatívne stanovenie hĺbky nádoru pomocou fluorescencie excitácie s dvoma vlnovými dĺžkami. Biomedicínska optika Express. doi.org/10.1364/BOE.468059.

.