Molekylært fyrtårn signalerer lavt iltindhold med ultralyd

Områder med hypoxi, eller lavt iltindhold i væv, er kendetegnende for hurtigt voksende kræftformer og for blokeringer eller indsnævring i blodkar såsom slagtilfælde eller perifer arteriesygdom. University of Illinois forskere har udviklet en måde at finde hypoksiske pletter noninvasivt i realtid.

Forskerne udviklede et iltfølsomt molekylært fyrtårn, der udsender ultralydssignaler som reaktion på lys, en proces kaldet fotoakustisk billeddannelse - en mindre invasiv, højere opløsning og billigere metode end den nuværende kliniske standard, som anvender radioaktive molekyler og positronemissionstomografi -scanninger. I et papir udgivet i Naturkommunikation , forskerne demonstrerede sondens evne til at forestille sig hypoksiske tumorer og indsnævrede arterier hos mus.

"Vi kunne give en læge en tredimensionel, realtidsvisning i vævet til at guide kirurgiske procedurer og behandlingsplaner, "sagde kemiprofessor Jefferson Chan, lederen af ​​undersøgelsen. Kandidatstuderende Hailey Knox og professor i bioingeniør Wawrzyniec Lawrence Dobrucki var medforfattere af avisen.

"Evnen til at opdage dette på en måde, der ikke kræver kirurgi eller ikke er afhængig af indirekte metoder, er virkelig kraftfuld, fordi du faktisk kan se det, som det udvikler sig, "Sagde Chan.

Nuværende metoder til påvisning af hypoxi i væv kan kun identificere kronisk hypoxi, og kan derfor ikke hjælpe læger med at finde aggressive kræftformer eller akutte tilstande som et slagtilfælde, der kræver øjeblikkelig indgriben, Sagde Chan. Sådanne metoder er begrænset til invasive procedurer, der involverer store elektrodenåle eller indirekte billeddannelse med radioaktive sonder, som har de ekstra udfordringer ved off-target aktivering og interferens.

De molekylære sonder Chans gruppe udviklede bliver først aktive, når der mangler ilt. Når lyset er spændt, de producerer et ultralydssignal, muliggør direkte 3D-billeddannelse af hypoksiske områder. De testede systemet på cellekulturer, og derefter i levende mus med brystkræft og mus med trange arterier i benene.

"Det system, vi brugte i denne undersøgelse, er et præklinisk system for dyr. Men i kliniske rammer, du kan tage en almindelig ultralydsmaskine og udstyre den med en lyskilde - du kan købe lysdioder for omkring $ 200, der er kraftige nok og sikre til kliniske applikationer, "Sagde Chan. Læger ville administrere de fotoakustiske molekyler til patienten, enten ved at injicere i en vene eller direkte på et tumorsted, brug derefter den modificerede ultralydsmaskine til at visualisere interesseområdet.

Forskerne fandt ud af, at deres fotoakustiske metode kunne finde hypoksi kun få minutter efter en musens arterie var indsnævret, viser løfte om hurtigt at finde slagtilfælde eller blodpropper i dybt væv. Hos mus med kræft, sonderne aktiveret detaljeret, 3D-ultralydsbilleddannelse af hypoksiske tumorer.

"Vi ved, at mange tumorer er hypoksiske, så mange nye behandlinger er blevet udviklet, der aktiveres under iltmangel. Men de har været inkonsekvente i kliniske forsøg, fordi ikke alle tumorer er hypoksiske, "Sagde Chan." Dette giver forskere og læger en måde at noninvasivt kigge inde i tumorer og afgøre, om en patients tumor er hypoksisk, og de ville være en god kandidat til et nyt lægemiddel. Hvis tumoren ikke ser særlig hypoksisk ud, de burde gå ind i en anden behandlingsplan. "

En anden fordel er de lave omkostninger ved at producere molekylerne og deres lange holdbarhed, sagde forskerne. De kan forblive stabile i årevis, der henviser til, at radioaktive molekyler skal bruges kort efter fremstilling og kræver særlig uddannelse til brug.

Chans gruppe undersøger andre typer af fotoakustiske molekyler, der kan forestille sig andre forhold. For eksempel, de arbejder på sonder, der kan opdage specifikke kræftformer, så de kan finde steder, hvor kræft har spredt sig eller metastaseret i en patients krop.

"Ikke alene kan du opdage en kræftsygdom og opdage dens egenskaber, men det har mange muligheder for patientpleje. Vi kan se på hele isbjerget i stedet for toppen af ​​isbjerget, "Sagde Chan.