Chirurgiczna resekcja tkanki nowotworowej jest powszechnym sposobem leczenia stosowanym w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa rozprzestrzenienia się raka na zdrowe tkanki. Jednak skuteczność takiej operacji silnie zależy od zdolności chirurga do rozróżnienia tkanki rakowej od zdrowej.
Wiadomo, że aktywność metaboliczna tkanki rakowej i zdrowej znacznie się różni: tkanki nowotworowe często mają chaotyczny przepływ krwi połączony z niskim poziomem tlenu lub niedotlenieniem. W przypadku obszarów niedotlenienia powszechnych w tkance nowotworowej dokładna identyfikacja niedotlenienia może pomóc w odróżnieniu tkanki rakowej od zdrowej podczas operacji.
Naukowcy z Thayer School of Engineering w Dartmouth oraz Uniwersytet Wisconsin-Madison badają zastosowanie sond fluorescencyjnych do obrazowania w czasie rzeczywistym lokalnego stężenia tlenu w tkankach podczas operacji. Swoje ustalenia prezentują w tzw Czasopismo Optyki Biomedycznej.
Kiedy sondy fluorescencyjne są wzbudzane światłem, wracają do stanu podstawowego i emitują światło o innej energii. Natychmiast po naświetleniu sondy emitują krótki impuls światła optycznego, znany jako natychmiastowa fluorescencja. Niektóre sondy mogą również generować opóźniony sygnał fluorescencji jakiś czas po naświetleniu.
Chociaż zarówno natychmiastowe, jak i opóźnione sygnały fluorescencji zanikają w czasie, szybki sygnał fluorescencji zanika szybko w porównaniu z przedłużonym zanikiem opóźnionej fluorescencji. Opóźniony zanik sygnału fluorescencji można obserwować i dalej analizować, aby lepiej zrozumieć aktywność metaboliczną pobliskiej tkanki.
Ocena natlenienia w czasie rzeczywistym
Pierwszy autor Artura Petusseau i współpracownicy wykorzystali system obrazowania optycznego do monitorowania światła emitowanego przez endogenną sondę molekularną protoporfirynę IX (PpIX) w mysim modelu raka trzustki, w którym obecne są obszary niedotlenienia.
Badacze podali PpIX w postaci maści topologicznej lub poprzez wstrzyknięcie w bok zwierzęcia i wygenerowali fluorescencję za pomocą modulowanej diody laserowej 635 nm jako źródła wzbudzenia. Odkryli, że stosunek opóźnionej do natychmiastowej fluorescencji był odwrotnie proporcjonalny do lokalnego ciśnienia cząstkowego tlenu w tkance.
Słaba intensywność sygnału opóźnionej fluorescencji sprawia, że jest on technicznie trudny do wykrycia. Aby temu zaradzić, naukowcy wykorzystali system obrazowania z bramką czasową, który umożliwia sekwencyjne monitorowanie sygnału fluorescencji tylko w małych oknach czasowych. Umożliwiło im to zmniejszenie wykrywalności szumu tła i dokładne monitorowanie zmian sygnału opóźnionej fluorescencji.
Dalsza analiza wykazała, że sygnał opóźnionej fluorescencji uzyskany z niedotlenionych komórek nowotworowych był pięciokrotnie większy niż ten uzyskany ze zdrowej, dobrze natlenionej tkanki. Ponadto zespół odkrył również, że sygnał opóźnionej fluorescencji może być dalej wzmacniany przez badanie palpacyjne tkanek (naciskanie skóry podczas badania fizykalnego), co wzmacnia przejściowe niedotlenienie i umożliwia kontrast czasowy między dwoma sygnałami.
„Ponieważ w większości guzów obecne jest mikroregionalne niedotlenienie, obrazowanie sygnałów niedotlenienia z opóźnionej fluorescencji PpIX pozwala na uzyskanie doskonałego kontrastu między prawidłową tkanką a nowotworami” — mówi Petusseau.
Spektroskopia multimodalna wykrywa guzy mózgu in vivo
Naukowcy doszli do wniosku, że monitorowanie opóźnionej fluorescencji powstającej z powodu unikalnych emisji sondy fluorescencyjnej PpIX w obecności niedotlenienia ma kilka zalet w rozróżnianiu zdrowej i nowotworowej tkanki podczas operacji. „Uzyskanie zarówno szybkiej, jak i opóźnionej fluorescencji w szybkim cyklu sekwencyjnym umożliwiło obrazowanie poziomów tlenu w sposób niezależny od stężenia PpIX” – mówią.
„Wymagana prosta technologia i duża liczba klatek na sekundę w połączeniu z niską toksycznością PpIX sprawiają, że ten mechanizm kontrastu można przełożyć na ludzi. W przyszłości można by go z łatwością wykorzystać jako wewnętrzny mechanizm kontrastowy do prowadzenia chirurgii onkologicznej”, twierdzi Petusseau.
