Nanopartikler kommer ind på hjernetumorer, øge nøjagtigheden af ​​kirurgisk fjernelse

Ligesom specialstyrker, der lasermærker mål for en bombepilot, bittesmå partikler, der kan afbildes på tre forskellige måder på én gang, har gjort det muligt for Stanford University School of Medicine-forskere at fjerne hjernetumorer fra mus med hidtil uset nøjagtighed.

I en undersøgelse, der offentliggøres online 15. april i Naturmedicin , et hold ledet af Sam Gambhir, MD, PhD, professor og formand for radiologi, viste, at de små nanopartikler, der blev konstrueret i hans laboratorium, husede på og fremhævede hjernetumorer, præcist at afgrænse deres grænser og i høj grad lette deres fuldstændige fjernelse. Den nye teknik kan en dag hjælpe med at forbedre prognosen for patienter med dødelig hjernekræft.

Omkring 14, 000 mennesker diagnosticeres årligt med hjernekræft i USA. Af de tilfælde omkring 3, 000 er glioblastomer, den mest aggressive form for hjernetumor. Prognosen for glioblastom er dyster:den gennemsnitlige overlevelsestid uden behandling er tre måneder. Kirurgisk fjernelse af sådanne tumorer - et virtuelt nødvendigt når det er muligt - forlænger den typiske patients overlevelse med mindre end et år. En stor grund til dette er, at det er næsten umuligt for selv den dygtigste neurokirurg at fjerne hele tumoren, mens man skåner normal hjerne.

"Med hjernetumorer, Kirurger har ikke den luksus at fjerne store mængder omgivende normalt hjernevæv for at være sikker på, at der ikke er kræftceller tilbage, sagde Gambhir, hvem er Virginia og D.K. Ludwig Professor for Clinical Investigation in Cancer Research og direktør for Molecular Imaging Program ved Stanford. "Du skal helt klart lade så meget af den sunde hjerne være intakt, som du overhovedet kan."

Dette er et reelt problem for glioblastomer, som er særligt rukantede tumorer. I disse tumorer, små fingerlignende fremspring infiltrerer almindeligvis sundt væv, følger stierne i blodkar og nervekanaler. En yderligere udfordring udgøres af mikrometastaser:små tumorplastre forårsaget af migration og replikation af celler fra den primære tumor. Mikrometastaser, der spreder ellers sundt nærliggende væv, men usynligt for kirurgens blotte øje, kan udvikle sig til nye tumorer.

Selvom hjernekirurgi i dag har en tendens til at blive styret af kirurgens blotte øje, nye molekylære billeddannelsesmetoder kan ændre det, og denne undersøgelse demonstrerer potentialet ved at bruge højteknologiske nanopartikler til at fremhæve tumorvæv før og under hjernekirurgi.

Nanopartiklerne brugt i undersøgelsen er i det væsentlige bittesmå guldkugler belagt med billeddannelsesreagenser. Hver nanopartikel måler mindre end fem en milliontedele af en tomme i diameter - omkring en tresindstyvendedel af et menneskes røde blodlegeme.

"Vi antog, at disse partikler, injiceres intravenøst, foretrækker tumorer, men ikke sundt hjernevæv, sagde Gambhir, som også er medlem af Stanford Cancer Institute. "De små blodkar, der nærer en hjernetumor, er utætte, så vi håbede, at kuglerne ville bløde ud af disse kar og sætte sig fast i nærliggende tumormateriale." Partiklernes guldkerner, forbedret som de er af specialiserede belægninger, ville så gøre partiklerne synlige samtidigt for tre forskellige billeddannelsesmetoder, hver bidrager unikt til et forbedret kirurgisk resultat.

En af de metoder, MR scanning, bruges allerede hyppigt til at give kirurger en idé om, hvor i hjernen tumoren befinder sig, før de opererer. MR er veludstyret til at bestemme en tumors grænser, men når det bruges præoperativt, kan det ikke perfekt beskrive en aggressivt voksende tumors position i en subtilt dynamisk hjerne på det tidspunkt, selve operationen finder sted.

Gambhir-teamets nanopartikler er belagt med gadolinium, et MR-kontrastmiddel, på en måde, der holder dem stabilt knyttet til de relativt inaktive kugler i et blodlignende miljø. (I en undersøgelse fra 2011 offentliggjort i Science Translational Medicine, Gambhir og hans kolleger viste i små dyremodeller, at nanopartikler svarende til dem, der blev brugt i denne nye undersøgelse, men uden gadolinium, var ugiftige.)

Et sekund, nyere metode er fotoakustisk billeddannelse, hvor lysimpulser absorberes af materialer som nanopartiklernes guldkerner. Partiklerne varmes lidt op, producerer påviselige ultralydssignaler, ud fra hvilke et tredimensionelt billede af tumoren kan beregnes. Fordi denne billeddannelsesmetode har høj dybdegennemtrængning og er meget følsom over for tilstedeværelsen af ​​guldpartikler, det kan være nyttigt til at vejlede fjernelse af hovedparten af ​​en tumor under operationen.

Den tredje metode, kaldet Raman billeddannelse, udnytter kapaciteten af ​​visse materialer (inkluderet i et lag, der overtrækker guldkuglerne) til at afgive næsten uopdagelige mængder lys i et signaturmønster bestående af flere forskellige bølgelængder. Guldkernernes overflader forstærker de svage Raman-signaler, så de kan fanges af et specielt mikroskop.

For at demonstrere nytten af ​​deres tilgang, efterforskerne viste først via forskellige metoder, at laboratoriets nanopartikler specifikt målrettede tumorvæv, og kun tumorvæv.

Næste, de implanterede flere forskellige typer humane glioblastomceller dybt ind i hjernen på laboratoriemus. Efter at have injiceret de billeddannelsesforbedrende nanopartikler i musenes halevener, de var i stand til at visualisere, med alle tre billeddannelsestilstande, de tumorer, som glioblastomcellerne havde affødt.

MR-scanningerne gav gode præoperative billeder af tumorers generelle former og placering. Og under selve operationen, fotoakustisk billeddannelse tilladt nøjagtig, realtidsvisualisering af tumors kanter, forbedre kirurgisk præcision.

Men hverken MR eller fotoakustisk billeddannelse i sig selv kan skelne sundt fra kræftvæv på et tilstrækkeligt minutniveau til at identificere hver sidste del af en tumor. Her, den tredje metode, Raman billeddannelse, viste sig at være afgørende. I undersøgelsen, Raman-signaler udgik kun fra tumor-indkapslede nanopartikler, aldrig fra nanopartikelfrit sundt væv. Så, efter at hovedparten af ​​et dyrs tumor var blevet fjernet, den meget følsomme Raman-billeddannelsesteknik var ekstremt nøjagtig til at markere resterende mikrometastaser og bittesmå fingerlignende tumorfremspring, der stadig var hul i tilstødende normalt væv, som var blevet savnet ved visuel inspektion. Det her, på tur, muliggjorde fjernelse af disse farlige rester.

"Nu kan vi lære tumorens omfang, før vi går ind på operationsstuen, blive guidet med molekylær præcision under selve udskæringsproceduren og så umiddelbart efter være i stand til at 'se' en gang usynligt resterende tumormateriale og tage det ud, også, sagde Gambhir, der foreslog, at nanopartiklernes tilbøjelighed til at varme op ved fotoakustisk stimulering, kombineret med deres tumorspecificitet, kan også gøre det muligt for dem at blive brugt til selektivt at ødelægge tumorer. Han udtrykte også optimisme om, at denne form for præcision i sidste ende kunne bringes i anvendelse på andre tumortyper.