Kirurgisk resektion av cancervävnad är en vanlig behandling som används för att minska sannolikheten för att cancer sprids till friska vävnader. Effekten av en sådan operation beror dock starkt på kirurgens förmåga att skilja mellan cancerös och frisk vävnad.
Det är känt att de metaboliska aktiviteterna hos cancerös och frisk vävnad skiljer sig markant: cancervävnader har ofta kaotiskt blodflöde i kombination med låga nivåer av syre, eller hypoxi. Med hypoxiska regioner som är vanliga i cancervävnad kan noggrann identifiering av hypoxi hjälpa till att skilja cancer från frisk vävnad under operation.
Forskare från Thayer School of Engineering i Dartmouth och University of Wisconsin-Madison undersöker användningen av fluorescerande prober för realtidsavbildning av lokal syrekoncentration i vävnad under operation. De presenterar sina resultat i Journal of Biomedical Optics.
När fluorescerande sonder exciteras av ljus, återgår de till grundtillståndet och avger ljus med en annan energi. Omedelbart efter belysning avger sonderna en kort optisk ljuspuls känd som prompt fluorescens. Vissa prober kan också producera en fördröjd fluorescenssignal en tid efter belysning.
Även om både snabba och fördröjda fluorescenssignaler avtar med tiden, avtar den snabba fluorescenssignalen snabbt i jämförelse med den långvariga avklingningen av fördröjd fluorescens. Det fördröjda fluorescenssignalsfallet kan observeras och analyseras vidare för att bättre förstå den metaboliska aktiviteten hos närliggande vävnad.
Utvärdering av syresättning i realtid
Förste författare Arthur Petusseau och kollegor använde ett optiskt avbildningssystem för att övervaka ljus som emitteras av den endogena molekylära sonden protoporfyrin IX (PpIX) i en musmodell av pankreascancer där hypoxiska regioner är närvarande.
Forskarna administrerade PpIX som antingen en topologisk salva eller via injektion till djurets sidoflank och genererade fluorescens med en 635 nm modulerad laserdiod som excitationskälla. De fann att förhållandet mellan fördröjd till snabb fluorescens var omvänt proportionell mot det lokala syrepartialtrycket i vävnaden.
Den svaga intensiteten hos den fördröjda fluorescenssignalen gör det tekniskt utmanande att upptäcka. För att övervinna detta använde forskarna ett tidsstyrt bildsystem som möjliggör sekventiell övervakning av fluorescenssignalen endast inom små tidsfönster. Detta gjorde det möjligt för dem att minska detekteringen av bakgrundsbrus och noggrant övervaka förändringar i den fördröjda fluorescenssignalen.
Ytterligare analys visade att den fördröjda fluorescenssignalen som erhölls från cancerösa hypoxiska celler var fem gånger större än den som erhölls från frisk, välsyresatt vävnad. Dessutom fann teamet också att den fördröjda fluorescenssignalen kunde förstärkas ytterligare genom vävnadspalpering (att applicera tryck på huden under fysisk undersökning), vilket förstärker den övergående hypoxi och möjliggör tidsmässig kontrast mellan de två signalerna.
"Eftersom de flesta tumörer har mikroregional hypoxi närvarande, möjliggör avbildning av hypoxisignaler från PpIX fördröjd fluorescens utmärkt kontrast mellan normal vävnad och tumörer", säger Petusseau.
Multimodal spektroskopi upptäcker hjärntumörer in vivo-
Forskarna drar slutsatsen att övervakning av fördröjd fluorescens som uppstår på grund av de unika emissionerna från PpIX-fluorescerande sonden i närvaro av hypoxi har flera fördelar när det gäller att skilja mellan frisk och cancerös vävnad under operation. "Att förvärva både snabb och fördröjd fluorescens i en snabb sekventiell cykel möjliggjorde avbildning av syrenivåer på ett sätt som var oberoende av PpIX-koncentrationen," säger de.
"Den enkla tekniken som krävs och den snabba bildhastighetskapaciteten i kombination med den låga toxiciteten hos PpIX gör denna mekanism för kontrast översättbar till människor. Det skulle lätt kunna användas i framtiden som en inneboende kontrastmekanism för onkologisk kirurgisk vägledning”, hävdar Petusseau.
