Chirurgische resectie van kankerweefsel is een gebruikelijke behandeling die wordt gebruikt om de kans op verspreiding van kanker naar gezond weefsel te verminderen. De doeltreffendheid van een dergelijke operatie hangt echter sterk af van het vermogen van de chirurg om onderscheid te maken tussen kankerachtig en gezond weefsel.
Het is bekend dat de metabolische activiteiten van kankerweefsel en gezond weefsel aanzienlijk verschillen: kankerweefsels hebben vaak een chaotische doorbloeding in combinatie met een laag zuurstofgehalte of hypoxie. Met hypoxische regio's die veel voorkomen in kankerweefsel, zou nauwkeurige identificatie van hypoxie kunnen helpen om kankerweefsel te onderscheiden van gezond weefsel tijdens de operatie.
Onderzoekers van de Thayer School of Engineering in Dartmouth en Universiteit van Wisconsin-Madison onderzoeken het gebruik van fluorescerende sondes voor real-time beeldvorming van de lokale zuurstofconcentratie in weefsel tijdens operaties. Zij presenteren hun bevindingen in de Tijdschrift voor biomedische optica.
Wanneer fluorescerende sondes worden geëxciteerd door licht, keren ze terug naar de grondtoestand en stralen ze licht uit met een andere energie. Onmiddellijk na belichting zenden sondes een korte optische lichtpuls uit die bekend staat als directe fluorescentie. Sommige sondes kunnen enige tijd na belichting ook een vertraagd fluorescentiesignaal produceren.
Hoewel zowel prompte als vertraagde fluorescentiesignalen in de loop van de tijd afnemen, neemt het prompte fluorescentiesignaal snel af in vergelijking met het langdurige verval van vertraagde fluorescentie. Het vertraagde verval van het fluorescentiesignaal kan worden waargenomen en verder worden geanalyseerd om de metabolische activiteit van nabijgelegen weefsel beter te begrijpen.
Realtime oxygenatiebeoordeling
eerste auteur Arthur Petusseau en collega's gebruikten een optisch beeldvormingssysteem om het licht te volgen dat wordt uitgezonden door de endogene moleculaire sonde protoporfyrine IX (PpIX) in een muismodel van pancreaskanker waar hypoxische gebieden aanwezig zijn.
De onderzoekers dienden de PpIX toe als een topologische zalf of via injectie in de zijflank van het dier en genereerden fluorescentie met behulp van een 635 nm gemoduleerde laserdiode als excitatiebron. Ze ontdekten dat de verhouding van vertraagde tot prompte fluorescentie omgekeerd evenredig was met de lokale partiële zuurstofdruk in het weefsel.
De zwakke intensiteit van het vertraagde fluorescentiesignaal maakt het technisch uitdagend om te detecteren. Om dit te ondervangen, gebruikten de onderzoekers een time-gated beeldvormingssysteem dat sequentiële monitoring van het fluorescentiesignaal mogelijk maakt binnen slechts korte tijdvensters. Hierdoor konden ze de detectie van achtergrondruis verminderen en veranderingen in het vertraagde fluorescentiesignaal nauwkeurig volgen.
Verdere analyse toonde aan dat het vertraagde fluorescentiesignaal verkregen van hypoxische kankercellen vijf keer groter was dan dat verkregen uit gezond, goed geoxygeneerd weefsel. Bovendien ontdekte het team ook dat het vertraagde fluorescentiesignaal verder kon worden versterkt door weefselpalpatie (door druk uit te oefenen op de huid tijdens lichamelijk onderzoek), wat de voorbijgaande hypoxie versterkt en tijdscontrast tussen de twee signalen mogelijk maakt.
"Omdat de meeste tumoren microregionale hypoxie hebben, zorgt beeldvorming van hypoxiesignalen van PpIX vertraagde fluorescentie voor een uitstekend contrast tussen normaal weefsel en tumoren", zegt Petusseau.
Multimodale spectroscopie detecteert hersentumoren in vivo
De onderzoekers concluderen dat het monitoren van vertraagde fluorescentie die ontstaat als gevolg van de unieke emissies van de PpIX fluorescerende sonde in de aanwezigheid van hypoxie verschillende voordelen heeft bij het onderscheiden van gezond en kankerweefsel tijdens operaties. "Het verkrijgen van zowel directe als vertraagde fluorescentie in een snelle sequentiële cyclus maakte het mogelijk zuurstofniveaus in beeld te brengen op een manier die onafhankelijk was van de PpIX-concentratie", zeggen ze.
“De eenvoudige technologie die nodig is en de snelle framesnelheid in combinatie met de lage toxiciteit van PpIX maken dit mechanisme voor contrast vertaalbaar naar mensen. Het zou in de toekomst gemakkelijk kunnen worden gebruikt als een intrinsiek contrastmechanisme voor oncologische chirurgische begeleiding”, beweert Petusseau.
