Lågkostnad avbildningssystem använder fluorescerande molekyler för att bestämma djupet av tumörceller

Lågkostnad avbildningssystem använder fluorescerande molekyler för att bestämma djupet av tumörceller

Forskare har utvecklat ett billigt, enkelt bildsystem som använder tumörriktade fluorescerande molekyler för att bestämma djupet av tumörceller i kroppen. Det bärbara systemet kan så småningom hjälpa kirurger att mer exakt skilja mellan frisk och cancerös vävnad när de tar bort en tumör.

Läkare kan använda fluorescerande molekyler under tumörresektion för att få cancerceller att lysa, vilket gör att kirurgen kan se om cancervävnad fortfarande är närvarande. Utrustningen som krävs för denna teknik är dock inte allmänt tillgänglig och ger vanligtvis inte kvantitativ information om hur djupt cancercellerna är i vävnaden. Tillgång till djup information skulle hjälpa kirurger att ta bort ett helt lager av frisk vävnad runt tumören, vilket har visat sig ge bästa möjliga resultat för patienterna.

De få kommersiella systemen som tillhandahåller kvantitativ djupinformation är stora och dyra, vilket begränsar användningen utanför stora vårdcentraler. Vår grupp byggde på tidigare arbete inom detta område för att utveckla ett billigt, enkelt system som snabbt kan bestämma djupet på tumörceller med hjälp av nära-infraröda (NIR) fluorescerande prober."

Christine M. O’Brien från Samuel Achilefu Laboratory vid Washington University School of Medicine i St. Louis, ledare för forskargruppen

Forskarna beskriver sitt nya system i Optica Publishing Groups tidskrift Biomedical Optics Express. Det bärbara och lättanvända systemet skulle kunna användas i kliniska centra med låga resurser, vilket kan hjälpa till att minimera hälsoskillnader.

"System som detta kan användas i framtiden för att förbättra kirurgiska resultat för patienter som genomgår tumörborttagning," sa O'Brien. "Det skulle också eliminera behovet av att vänta på patologiska resultat innan man bekräftar om cancerceller fortfarande finns kvar efter tumörborttagning."

Får cancer att lysa

Forskning har visat att kirurgiska behandlingar för cancer vanligtvis är mest framgångsrika när kirurger tar bort inte bara tumören utan också ett friskt lager av vävnad som helt omger den. Detta kan dock vara svårt eftersom det är svårt att fastställa gränserna mellan slutet av tumören och början av frisk vävnad. Dessutom beror den optimala tjockleken på det friska lagret på tumörens typ och placering.

För att stödja denna uppgift utvecklade Achilefu Labs forskargrupp under ledning av O'Brien ett nytt verktyg baserat på appliceringen av ett enda fluorescerande färgämne under tumörresektion, som sedan kan exciteras av två olika NIR-våglängder som penetrerar olika djup in i vävnaden. Den emitterade NIR-fluorescensen kan avbildas genom vävnad, vilket möjliggör upptäckt av cancerceller 1 till 2 centimeter under ytan.

Excitationsfluorescens med dubbla våglängder drar fördel av det faktum att olika färger eller våglängder av ljus färdas olika långt i vävnaden. Genom att belysa tumörriktade fluorescerande molekyler med olika våglängder av ljus och jämföra deras reaktioner, är det möjligt att förutsäga hur djupt de tumörmålsökande medlen finns i vävnaden.

"Flera forskargrupper har bidragit till utvecklingen av matematiska samband som kopplar fluorofordjupet till ratiometriska fluorescensmätningar", säger O'Brien. "Den ökande utvecklingen av nära-infraröda kontrastmedel för användning inom medicin uppmuntrade oss att bygga vidare på tidigare arbete och utveckla ett system som fungerar i det nära-infraröda området och som dessutom är billigt och lätt att använda."

Bygga ett system med två våglängder

Det nya fluorescensbildsystemet använder 730 nm och 780 nm lysdioder för att tillhandahålla de två våglängderna av excitationsljus och en monokrom CMOS-kamera för att fånga den resulterande fluorescensen. En 850 nm LED inkorporerades också för att generera en ljus fältbild, vilket möjliggör korrelation av fluorescensbilderna med den verkliga bilden av vävnaden. Forskarna valde att använda ett experimentellt medel utvecklat i Achilefu-laboratoriet som heter LS301, som kan administreras under tumörresektion, som en cancerinriktad infraröd sond eftersom dess breda excitationsspektrum eliminerar behovet av att använda mer än en fluorofor, vilket annars skulle ha gjort den kliniska tillämpningen mer komplex. LS301 testas för närvarande i kliniska prövningar på bröstcancerpatienter.

Efter att ha testat systemet på skiktade syntetiska material och kycklingskivor, bedömde forskarna dess förmåga att förutsäga djupet av en tumör med hjälp av brösttumörer odlade i möss. Detta gjordes genom att injicera mössen med LS301 och sedan avbilda dem med systemet. Att ta de nödvändiga bilderna tog 5 minuter. Beräkningarna baserade på dessa bilder korrelerade väl med tumörens faktiska djup och visade ett medelfel på endast 0,34 mm, vilket förmodligen är acceptabelt för klinisk användning.

Forskarna arbetar nu med att göra systemet ännu mer användbart för kirurgisk vägledning genom att påskynda databehandlingen och lägga till ytterligare automatisering i systemet så att det kan skanna hela vävnadsytan.

Källa:

optik

Hänvisning:

O'Brien, CM, et al. (2022) Kvantitativ bestämning av tumördjup med hjälp av excitationsfluorescens med dubbla våglängder. Biomedicinsk Optik Express. doi.org/10.1364/BOE.468059.

.