Gebieden van hypoxie, of weinig zuurstof in weefsel, zijn kenmerken van snelgroeiende kankers en van verstoppingen of vernauwingen in bloedvaten, zoals een beroerte of perifere vaatziekte. Onderzoekers van de Universiteit van Illinois hebben een manier ontwikkeld om hypoxische plekken niet-invasief in realtime te vinden.

De onderzoekers ontwikkelden een zuurstofgevoelig moleculair baken dat ultrasone signalen uitzendt als reactie op licht, een proces genaamd fotoakoestische beeldvorming - een minder invasieve, hogere resolutie en goedkopere methode dan de huidige klinische standaard, die gebruikmaakt van radioactieve moleculen en positronemissietomografiescans. In een paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de onderzoekers toonden het vermogen van de sonde aan om hypoxische tumoren en vernauwde slagaders bij muizen in beeld te brengen.

"We zouden een dokter een driedimensionale, realtime zicht op het weefsel om chirurgische procedures en behandelplannen te begeleiden, " zei professor scheikunde Jefferson Chan, de leider van de studie. Afgestudeerde student Hailey Knox en bio-ingenieursprofessor Wawrzyniec Lawrence Dobrucki waren co-auteurs van het artikel.

"Het vermogen om dit te detecteren op een manier die geen operatie vereist of niet afhankelijk is van indirecte methoden is echt krachtig, omdat je het echt kunt zien terwijl het zich ontwikkelt, ' zei Chan.

De huidige methoden voor het detecteren van hypoxie in weefsel kunnen alleen chronische hypoxie identificeren, en kunnen artsen dus niet helpen bij het vinden van agressieve kankers of acute aandoeningen zoals een beroerte die onmiddellijke interventie vereisen, zei Chan. Dergelijke methoden zijn beperkt tot invasieve procedures met grote elektrodenaalden of indirecte beeldvorming met radioactieve sondes, die de extra uitdagingen van off-target activering en interferentie heeft.

De moleculaire sondes die de groep van Chan ontwikkelde, worden pas actief als er geen zuurstof is. Wanneer opgewonden door licht, ze produceren een ultrasoon signaal, waardoor directe 3D-beeldvorming van hypoxische gebieden mogelijk is. Ze testten het systeem op celculturen, en vervolgens bij levende muizen met borstkanker en muizen met vernauwde slagaders in hun benen.

"Het systeem dat we in deze studie hebben gebruikt, is een preklinisch systeem voor dieren. in een klinische setting, je kunt een gewone echografiemachine nemen en deze uitrusten met een lichtbron - je kunt LED's kopen voor ongeveer $ 200 die krachtig genoeg en veilig zijn voor klinische toepassingen, " zei Chan. Artsen zouden de fotoakoestische moleculen aan de patiënt toedienen, hetzij door injectie in een ader of rechtstreeks op een tumorplaats, gebruik vervolgens de aangepaste ultrasone machine om het interessegebied te visualiseren.

De onderzoekers ontdekten dat hun fotoakoestische methode hypoxie kon vinden slechts enkele minuten nadat de slagader van een muis was vernauwd, veelbelovend voor het snel vinden van beroertes of bloedstolsels in diep weefsel. Bij de muizen met kanker, de sondes ingeschakeld gedetailleerd, 3D-echografie van hypoxische tumoren.

"We weten dat veel tumoren hypoxisch zijn, er zijn zoveel nieuwe behandelingen ontwikkeld die worden geactiveerd in zuurstofarme omstandigheden. Maar ze waren inconsistent in klinische onderzoeken, omdat niet alle tumoren hypoxisch zijn, " zei Chan. "Dit geeft wetenschappers en artsen een manier om niet-invasief in tumoren te kijken en te bepalen of de tumor van een patiënt hypoxisch is en of ze een goede kandidaat zouden zijn voor een nieuw medicijn. Als de tumor er niet erg hypoxisch uitziet, ze zouden in een ander behandelplan moeten gaan."

Een ander voordeel zijn de lage productiekosten van de moleculen en hun lange houdbaarheid, aldus de onderzoekers. Ze kunnen jarenlang stabiel blijven, overwegende dat radioactieve moleculen snel na de fabricage moeten worden gebruikt en speciale training vereisen.

De groep van Chan onderzoekt andere soorten foto-akoestische moleculen die andere omstandigheden kunnen afbeelden. Bijvoorbeeld, ze werken aan sondes die specifieke kankers kunnen detecteren, zodat ze alle plaatsen kunnen vinden waar kanker zich heeft verspreid of uitgezaaid in het lichaam van een patiënt.

"Je kunt niet alleen kanker opsporen en de eigenschappen ervan ontdekken, maar het heeft veel mogelijkheden voor patiëntenzorg. We kunnen naar de hele ijsberg kijken in plaats van naar het topje van de ijsberg, ' zei Chan.