Die chirurgische Resektion von Krebsgewebe ist eine übliche Behandlung, die verwendet wird, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass sich Krebs auf gesundes Gewebe ausbreitet. Die Wirksamkeit einer solchen Operation hängt jedoch stark von der Fähigkeit des Chirurgen ab, zwischen kanzerösem und gesundem Gewebe zu unterscheiden.
Es ist bekannt, dass sich die Stoffwechselaktivitäten von krebsartigem und gesundem Gewebe erheblich unterscheiden: Krebsgewebe weisen oft einen chaotischen Blutfluss in Kombination mit einem niedrigen Sauerstoffgehalt oder Hypoxie auf. Da hypoxische Regionen in Krebsgewebe häufig vorkommen, könnte die genaue Identifizierung von Hypoxie dazu beitragen, Krebsgewebe von gesundem Gewebe während der Operation zu unterscheiden.
Forscher aus der Thayer School of Engineering in Dartmouth und für University of Wisconsin-Madison untersuchen die Verwendung von fluoreszierenden Sonden für die Echtzeit-Bildgebung der lokalen Sauerstoffkonzentration im Gewebe während einer Operation. Ihre Erkenntnisse präsentieren sie im Zeitschrift für biomedizinische Optik.
Wenn fluoreszierende Sonden durch Licht angeregt werden, kehren sie in den Grundzustand zurück und emittieren Licht mit einer anderen Energie. Unmittelbar nach der Beleuchtung senden die Sonden einen kurzen optischen Lichtimpuls aus, der als prompte Fluoreszenz bezeichnet wird. Einige Sonden können auch einige Zeit nach der Beleuchtung ein verzögertes Fluoreszenzsignal erzeugen.
Obwohl sowohl das prompte als auch das verzögerte Fluoreszenzsignal mit der Zeit abklingen, klingt das prompte Fluoreszenzsignal im Vergleich zum verlängerten Abklingen der verzögerten Fluoreszenz schnell ab. Der verzögerte Abfall des Fluoreszenzsignals kann beobachtet und weiter analysiert werden, um die Stoffwechselaktivität von nahe gelegenem Gewebe besser zu verstehen.
Bewertung der Sauerstoffversorgung in Echtzeit
Erster Autor Artur Petusseau und Kollegen verwendeten ein optisches Bildgebungssystem, um das Licht zu überwachen, das von der endogenen molekularen Sonde Protoporphyrin IX (PpIX) in einem Mausmodell für Bauchspeicheldrüsenkrebs emittiert wird, in dem hypoxische Regionen vorhanden sind.
Die Forscher verabreichten das PpIX entweder als topologische Salbe oder durch Injektion an die Seitenflanke des Tieres und erzeugten Fluoreszenz unter Verwendung einer 635 nm modulierten Laserdiode als Anregungsquelle. Sie fanden heraus, dass das Verhältnis von verzögerter zu sofortiger Fluoreszenz umgekehrt proportional zum lokalen Sauerstoffpartialdruck im Gewebe war.
Die schwache Intensität des verzögerten Fluoreszenzsignals macht es technisch schwierig, es zu detektieren. Um dies zu überwinden, verwendeten die Forscher ein zeitgesteuertes Bildgebungssystem, das eine sequentielle Überwachung des Fluoreszenzsignals nur innerhalb kleiner Zeitfenster ermöglicht. Dadurch konnten sie die Erkennung von Hintergrundrauschen reduzieren und Änderungen im verzögerten Fluoreszenzsignal genau überwachen.
Weitere Analysen zeigten, dass das von hypoxischen Krebszellen erhaltene verzögerte Fluoreszenzsignal fünfmal größer war als das von gesundem, gut mit Sauerstoff angereichertem Gewebe. Darüber hinaus fand das Team auch heraus, dass das verzögerte Fluoreszenzsignal durch Gewebeabtastung (Ausüben von Druck auf die Haut während der körperlichen Untersuchung) weiter verstärkt werden kann, was die vorübergehende Hypoxie verstärkt und einen zeitlichen Kontrast zwischen den beiden Signalen ermöglicht.
„Da die meisten Tumore eine mikroregionale Hypoxie aufweisen, ermöglicht die Bildgebung von Hypoxiesignalen aus der verzögerten PpIX-Fluoreszenz einen hervorragenden Kontrast zwischen normalem Gewebe und Tumoren“, sagt Petusseau.
Multimodale Spektroskopie erkennt Hirntumore in vivo
Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass die Überwachung der verzögerten Fluoreszenz, die aufgrund der einzigartigen Emissionen der PpIX-Fluoreszenzsonde in Gegenwart von Hypoxie entsteht, mehrere Vorteile bei der Unterscheidung zwischen gesundem und krebsartigem Gewebe während der Operation hat. „Die Erfassung sowohl der sofortigen als auch der verzögerten Fluoreszenz in einem schnellen sequentiellen Zyklus ermöglichte die Darstellung des Sauerstoffgehalts auf eine Weise, die von der PpIX-Konzentration unabhängig war“, sagen sie.
„Die einfache Technologie, die erforderlich ist, und die hohe Bildwiederholfrequenz in Verbindung mit der geringen Toxizität von PpIX machen diesen Kontrastmechanismus auf den Menschen übertragbar. Es könnte in Zukunft problemlos als intrinsischer Kontrastmechanismus für die onkologische Operationsführung verwendet werden“, sagt Petusseau.
