Billedbehandlingssystem hjælper kirurger med at fjerne små ovarietumorer

Kræft i æggestokkene diagnosticeres normalt først, efter at den har nået et fremskredent stadium, med mange tumorer spredt over hele maven. De fleste patienter bliver opereret for at fjerne så mange af disse tumorer som muligt, men fordi nogle er så små og udbredte, det er svært at udrydde dem alle.

Forskere ved MIT, arbejder med kirurger og onkologer på Massachusetts General Hospital (MGH), har nu udviklet en måde at forbedre nøjagtigheden af ​​denne operation, kaldet debulking. Ved hjælp af et nyt fluorescensbilleddannelsessystem, de var i stand til at finde og fjerne tumorer så små som 0,3 millimeter - mindre end et valmuefrø - under operation i mus. Mus, der gennemgik denne type billedstyret operation, overlevede 40 procent længere end dem, der fik fjernet tumorer uden det guidede system.

"Det rart ved dette system er, at det giver mulighed for realtidsinformation om størrelsen, dybde, og fordeling af tumorer, " siger Angela Belcher, James Mason Crafts professor i biologisk teknik og materialevidenskab ved MIT, medlem af Koch Institute for Integrative Cancer Research, og den nyligt udnævnte leder af MIT's Institut for Biologisk Teknik.

Forskerne søger nu FDA-godkendelse til et klinisk fase 1-forsøg for at teste billeddannelsessystemet hos menneskelige patienter. I fremtiden, de håber at tilpasse systemet til overvågning af patienter med risiko for tumor-gentagelse, og i sidste ende til tidlig diagnose af kræft i æggestokkene, hvilket er nemmere at behandle, hvis det fanges tidligere.

Belcher og Michael Birrer, tidligere direktør for medicinsk gynækologisk onkologi ved MGH og nu direktør for O'Neal Comprehensive Cancer Center ved University of Alabama i Birmingham, er de ledende forfattere af undersøgelsen, offentliggjort online i tidsskriftet ACS Nano denne uge.

Neelkanth Bardhan, en Mazumdar-Shaw International Oncology Fellow ved Koch Institute, og Lorenzo Ceppi, en forsker ved MGH, er avisens hovedforfattere. Andre forfattere inkluderer MGH-forsker YoungJeong Na, MIT Lincoln Laboratory tekniske medarbejdere Andrew Siegel og Nandini Rajan, Robert Fruscio fra universitetet i Milano-Bicocca, og Marcela del Carmen, en gynækologisk onkolog ved MGH og overlæge i Massachusetts General Physicians Organisation.

Glødende tumorer

Fordi der ikke er nogen god måde at opdage tidligt stadie af æggestokkræft, det er en af ​​de sværeste former for kræft at behandle. af 250, 000 nye tilfælde diagnosticeret hvert år på verdensplan, 75 procent er i fremskreden fase. I USA, den femårige kombinerede overlevelsesrate for alle stadier af kræft i æggestokkene er 47 procent, kun en lille forbedring fra 38 procent for tre årtier siden, på trods af fremkomsten af ​​kemoterapeutiske lægemidler såsom cisplatin, godkendt af FDA i 1978 til behandling af kræft i æggestokkene. I modsætning, den femårige kombinerede overlevelsesrate for alle stadier af brystkræft er støt forbedret, fra omkring 75 procent i 1970'erne til over 90 procent nu.

"Vi har desperat brug for bedre forhåndsbehandlinger, herunder kirurgi, for disse (ovariecancer) patienter, " siger Birrer.

Belcher og Birrer gik sammen om at arbejde på dette problem gennem broprojektet, et samarbejde mellem Koch Instituttet og Dana-Farber/Harvard Cancer Center. Belchers laboratorium har udviklet en ny type medicinsk billeddannelse baseret på lys i det nær-infrarøde (NIR) spektrum. I et papir udgivet i marts, hun rapporterede, at dette billeddannelsessystem kunne opnå en hidtil uset kombination af opløsning og penetrationsdybde i levende væv.

I den nye undersøgelse, Belcher, Birrer, og deres kolleger arbejdede sammen med forskere ved MIT Lincoln Laboratory for at tilpasse NIR-billeddannelse for at hjælpe kirurger med at lokalisere tumorer under ovariecancerkirurgi, ved at levere kontinuerlige, real-time billeddannelse af maven, med tumorer fremhævet af fluorescens. Tidligere analyser har vist, at overlevelsesrater er stærkt omvendt korreleret med mængden af ​​resterende tumormasse efterladt i patienten under debulking-kirurgi, men mange ovarietumorer er så små eller skjulte, at kirurger ikke kan finde dem.

For at gøre tumorerne synlige, forskerne designet kemiske sonder ved hjælp af enkeltvæggede kulstof-nanorør, der udsender fluorescerende lys, når de belyses af en laser. De coatede disse nanorør med et peptid, der binder til SPARC, et protein, der er overudtrykt af stærkt invasive kræftceller i æggestokkene. Denne sonde binder til tumorerne og får dem til at fluorescere ved NIR-bølgelængder, giver kirurger mulighed for lettere at finde dem med fluorescensbilleddannelse.

Forskerne testede det billedstyrede system i mus, der fik ovarietumorer implanteret i en region af bughulen kendt som det intraperitoneale rum, og viste, at kirurger var i stand til at lokalisere og fjerne tumorer helt ned til 0,3 millimeter. Ti dage efter operationen, disse mus havde ingen påviselige tumorer, mens mus, der havde gennemgået det traditionelle, ikke-billedstyret kirurgi, havde mange resterende tumorer savnet af kirurgen.

Tre uger efter operationen, mange af tumorerne var vokset tilbage i musene, der gennemgik billedstyret operation, men disse mus havde stadig en gennemsnitlig overlevelsesrate, der var 40 procent længere end for mus, der gennemgik traditionel kirurgi.

Intet andet billeddannelsessystem ville være i stand til at lokalisere så små tumorer under en kirurgisk procedure, siger forskerne.

"Du kan ikke have en patient i en CT-maskine eller en MR-maskine og få kirurgen til at udføre denne kirurgiske debulking-procedure på samme tid, og du kan ikke udsætte patienten for røntgenstråling i flere timer af den lange operation. Dette optik-baserede billedbehandlingssystem giver os mulighed for at gøre det på en sikker måde, " siger Bardhan.

Alessandro Santin, en professor i obstetrik og gynækologi og klinisk forskningsprogramleder ved Yale University School of Medicine, beskrev resultaterne som "spændende".

"Disse data understøtter den potentielle brug af dette nye billeddannelsessystem i intraoperative omgivelser til optisk påvisning af resterende malignt væv på tidspunktet for kirurgisk iscenesættelse, og/eller cytoreduktiv kirurgi hos ovariecancerpatienter, " siger Santin, som ikke var involveret i undersøgelsen.

Overvågning af patienter

For de fleste æggestokkræftpatienter, tumor debulking kirurgi efterfølges af kemoterapi, så forskerne planlægger nu at lave endnu et studie, hvor de behandler musene med kemoterapi efter billedstyret operation, i håb om at forhindre de resterende små tumorer i at sprede sig.

"Vi ved, at mængden af ​​tumor, der blev fjernet på operationstidspunktet for patienter med fremskreden stadium af ovariecancer, er direkte korreleret med deres resultat, " siger Birrer. "Denne billeddannende enhed vil nu give kirurgen mulighed for at gå ud over grænserne for at fjerne tumorer, der er synlige for det blotte øje, og bør indlede en ny tidsalder med effektiv debulking-kirurgi."

Nu hvor de har vist, at dette koncept med succes kan anvendes til billeddannelse under operation, forskerne håber at begynde at tilpasse systemet til brug hos mennesker.

"I princippet, det kan godt lade sig gøre, " siger Siegel. "Det er udelukkende mekanikken og finansieringen på dette tidspunkt, fordi dette museeksperiment tjener som principbeviset og faktisk kan have været mere udfordrende end at bygge et system i menneskelig skala."

Forskerne håber også at kunne implementere denne type billeddannelse til at overvåge patienter efter operationen, og til sidst at udvikle det som et diagnostisk værktøj til screening af kvinder med høj risiko for at udvikle kræft i æggestokkene.

"Et stort fokus for os lige nu er at udvikle teknologien til at kunne diagnosticere æggestokkræft tidligt, i fase 1 eller fase 2, før sygdommen bliver spredt, " siger Belcher. "Det kan have en enorm indflydelse på overlevelsesraterne, fordi overlevelse er relateret til detektionsstadiet."

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.