Nyt optisk billeddannelsessystem kan indsættes til at finde bittesmå tumorer

Mange former for kræft kunne lettere behandles, hvis de blev opdaget på et tidligere tidspunkt. MIT -forskere har nu udviklet et billeddannelsessystem, kaldet "DOLPHIN, "som kunne sætte dem i stand til at finde bittesmå tumorer, så små som et par hundrede celler, dybt inde i kroppen.

I en ny undersøgelse, forskerne brugte deres billedbehandlingssystem, som er afhængig af nær-infrarødt lys, at spore en 0,1 millimeter fluorescerende sonde gennem en levende muses fordøjelseskanal. De viste også, at de kan registrere et signal til en vævsdybde på 8 centimeter, langt dybere end nogen eksisterende biomedicinsk optisk billeddannelsesteknik.

Forskerne håber at kunne tilpasse deres billeddannelsesteknologi til tidlig diagnose af kræft i æggestokkene og andre kræftformer, der i øjeblikket er svære at opdage indtil sent stadier.

"Vi ønsker at kunne finde kræft meget tidligere, "siger Angela Belcher, James Mason Crafts professor i biologisk ingeniørvidenskab og materialevidenskab ved MIT og medlem af Koch Institute for Integrative Cancer Research, og den nyudnævnte leder af MIT's afdeling for biologisk teknik. "Vores mål er at finde små tumorer, og gør det på en ikke -invasiv måde. "

Belcher er seniorforfatter af undersøgelsen, som vises i 7. marts udgaven af Videnskabelige rapporter . Xiangnan Dang, en tidligere MIT postdoc, og Neelkanth Bardhan, en Mazumdar-Shaw International Oncology Fellow, er hovedforfatterne af undersøgelsen. Andre forfattere omfatter forskere Jifa Qi og Ngozi Eze, tidligere postdoc Li Gu, postdoc Ching-Wei Lin, kandidatstuderende Swati Kataria, og Paula Hammond, David H. Koch professor i teknik, leder af MIT's afdeling for kemiteknik, og medlem af Koch Institute.

Dybere billeddannelse

Eksisterende metoder til billeddannelse af tumorer har alle begrænsninger, der forhindrer dem i at være nyttige til tidlig kræftdiagnose. De fleste har en afvejning mellem opløsning og billeddybde, og ingen af ​​de optiske billeddannelsesteknikker kan forestille sig dybere end ca. 3 centimeter i væv. Almindeligt anvendte scanninger, såsom røntgencomputertomografi (CT) og magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), kan billedet gennem hele kroppen; imidlertid, de kan ikke pålideligt identificere tumorer, før de når omkring 1 centimeter i størrelse.

Belchers laboratorium satte sig for at udvikle nye optiske metoder til kræftbilleddannelse for flere år siden, da de sluttede sig til Koch Institute. De ønskede at udvikle teknologi, der kunne forestille meget små grupper af celler dybt inde i væv og gøre det uden nogen form for radioaktiv mærkning.

Næsten infrarødt lys, som har bølgelængder fra 900 til 1700 nanometer, er velegnet til vævsbilleddannelse, fordi lys med længere bølgelængder ikke spredes så meget som når det rammer genstande, som tillader lyset at trænge dybere ind i vævet. For at drage fordel af dette, forskerne brugte en tilgang kendt som hyperspektral billeddannelse, som muliggør samtidig billeddannelse i flere lysbølgelængder.

Forskerne testede deres system med en række nær-infrarøde fluorescerende lysemitterende sonder, hovedsageligt natrium yttriumfluorid nanopartikler, der har sjældne jordartselementer såsom erbium, holmium, eller praseodym tilsat gennem en proces kaldet doping. Afhængigt af valget af dopingelement, hver af disse partikler udsender nær-infrarødt fluorescerende lys med forskellige bølgelængder.

Ved hjælp af algoritmer, som de udviklede, forskerne kan analysere dataene fra den hyperspektrale scanning for at identificere kilderne til fluorescerende lys med forskellige bølgelængder, som giver dem mulighed for at bestemme placeringen af ​​en bestemt sonde. Ved yderligere at analysere lys fra smallere bølgelængdebånd inden for hele nær-IR-spektret, forskerne kan også bestemme på hvilken dybde en sonde er placeret. Forskerne kalder deres system "DOLPHIN", som står for "Detektion af optisk selvlysende prober ved hjælp af hyperspektral og diffus billeddannelse i nær-infrarød."

For at demonstrere den mulige nytte af dette system, forskerne sporede en 0,1 millimeter stor klynge af fluorescerende nanopartikler, der blev slugt og derefter rejste gennem fordøjelseskanalen på en levende mus. Disse prober kan modificeres, så de målretter mod og fluorescerende mærker specifikke kræftceller.

"Med hensyn til praktiske anvendelser, denne teknik ville give os mulighed for ikke-invasivt at spore en fluorescensmærket tumor på 0,1 millimeter i størrelse, som er en klynge på omkring et par hundrede celler. Så vidt vi ved, ingen har tidligere været i stand til at gøre dette ved hjælp af optiske billeddannelsesteknikker, "Siger Bardhan.

Tidligere opdagelse

Forskerne demonstrerede også, at de kunne injicere fluorescerende partikler i en mus eller en rotte og derefter billedet gennem hele dyret, som kræver billeddannelse til en dybde på ca. 4 centimeter, for at bestemme, hvor partiklerne er endt. Og i test med humant vævs-efterligner og dyrevæv, de var i stand til at lokalisere sonderne i en dybde på op til 8 centimeter, afhængigt af vævstypen.

Denne form for system kan bruges med enhver fluorescerende sonde, der udsender lys i det nær-infrarøde spektrum, herunder nogle, der allerede er FDA-godkendte, siger forskerne. Forskerne arbejder også på at tilpasse billeddannelsessystemet, så det kan afsløre iboende forskelle i vævskontrast, herunder signaturer af tumorceller, uden nogen form for fluorescerende etiket.

I det løbende arbejde, de bruger en relateret version af dette billeddannelsessystem til at forsøge at opdage ovarietumorer på et tidligt tidspunkt. Ovariecancer diagnosticeres normalt meget sent, fordi der ikke er nogen nem måde at opdage det på, når tumorer stadig er små.

"Ovariecancer er en frygtelig sygdom, og det bliver diagnosticeret så sent, fordi symptomerne er så ubeskrivelige, " siger Belcher. "Vi ønsker en måde at følge gentagelsen af ​​tumorerne på, og til sidst en måde at finde og følge tidlige tumorer på, når de først går ned på vejen til kræft eller metastase. Dette er et af de første trin på vejen med hensyn til udvikling af denne teknologi. "

Forskerne er også begyndt at arbejde på at tilpasse denne type billeddannelse til at opdage andre typer kræft, såsom kræft i bugspytkirtlen, hjernekræft, og melanom.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.