Onderzoekers van Helmholtz Zentrum München en de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA), gezamenlijk nieuwe beeldvormingstools ontwikkeld om niet-invasieve beeldvorming van verschillende structuren mogelijk te maken, zoals bloedvaten, in veelkleurig en in realtime. Het nieuwe beeldvormingssysteem is gebaseerd op een benadering die veel wordt gebruikt in andere industrieën en maakt de bewaking van meerdere parameters mogelijk (multiplexing) - een technische uitdaging die toekomstige klinische beeldvormingstoepassingen zou kunnen verstoren.

Medische beeldvorming is een belangrijk instrument voor diagnose en beeldgestuurde chirurgie. Beeldvorming bij zoogdieren, echter, wordt een uitdaging wanneer het onderwerp beweegt of wakker is - een belangrijke voorwaarde voor nauwkeurige monitoring. De huidige benaderingen moeten nog een combinatie van real-time beeldvorming, multiplexen, hoge mate van weefselpenetratie, en een adequaat resolutieniveau dat het mogelijk maakt om verschillende soorten structuren te onderscheiden, b.v. zenuwen en bloedvaten.

Op zoek naar een betere oplossing

De onderzoeksgroep onder leiding van biochemicus Oliver Bruns in München en scheikundige Ellen Sletten in Los Angeles onderzocht het potentieel van kortegolf-infraroodbeeldvorming, of SWIR-beeldvorming. Deze bestaande beeldvormingsmethode wordt vaak gebruikt in defensiegerelateerde toepassingen en astronomie, maar was tot nu toe onderbelicht voor klinische toepassingen.

"We wilden profiteren van het feit dat het SWIR-gebied een superieure resolutie en een grotere weefselpenetratie biedt dan het nabij-infraroodgebied. Het biedt ook een groter bereik aan golflengten waardoor meerdere kanalen voldoende gescheiden zijn om naast elkaar te worden gedetecteerd, " zegt Ellen Sletten, die professor is in de afdeling Scheikunde en Biochemie aan de UCLA en een gedeelde corresponderende auteur is. "Het verkennen van dit kenmerk kan van cruciaal belang zijn bij het gelijktijdig bewaken van meerdere parameters."

Het potentieel van een nieuw systeem verkennen

Het team ontwierp en synthetiseerde nieuwe kleurstoffen en karakteriseerde hun fotofysische eigenschappen, wat aangaf dat ze in staat waren tot realtime gemultiplexte excitatie in de nabij-infrarood- en SWIR-regio's. Vervolgens ontwikkelde het een nieuwe SWIR-beeldvormingsconfiguratie met drie lasers en een geschikte camera en demonstreerde, in leven, dat ze veelkleurige films in realtime konden vastleggen. Daar bovenop, ze hebben beelden gemaakt die lymfevaten duidelijk onderscheiden van aders en slagaders en hun functie bewaken. De technologie is ook snel genoeg om beelden te maken van wakkere en bewegende muizen.

Verder, de realtime feedback maakte beeldgeleide chirurgie bij muizen mogelijk.

"Het vermogen om meerdere dicht bij elkaar liggende weefsels te onderscheiden, zoals lymfe- en bloedsomloopstructuren en tegelijkertijd hun functie controleren, heeft implicaties voor niet-invasieve diagnostiek en voor groeiende technologieën voor fluorescentiegeleide chirurgie, " voegt Emily Cosco toe, die deze studie zowel aan het Helmholtz Zentrum München als aan de UCLA hebben uitgevoerd.

Momenteel, de groep op de Helmholtz Pioneer Campus werkt samen met chirurgen en artsen van Stanford, evenals in München en Keulen om de nieuwe technologie in de nabije toekomst in de klinische praktijk te vertalen. De nadruk in deze klinische samenwerkingen ligt op de behandeling van kanker en ontstekingen.

Oliver Bruns, de andere corresponderende auteur die hoofdonderzoeker is op de Helmholtz Pioneer Campus van Helmholtz Zentrum München, zegt, "Ons systeem heeft het potentieel om medische toepassingen te verstoren. De volgende stap is om vast te stellen hoe deze technologie kan worden vertaald van de bank naar het bed. Een duidelijke potentiële toepassing is intra-operatieve beeldvorming. Natuurlijk, er is veel werk nodig om te zien wat de daadwerkelijke operatie is die baat heeft bij SWIR, maar de mogelijkheid om structuren in meerdere kleuren te onderscheiden, maakt dit hulpmiddel nu een potentiële kandidaat voor tumorresectie."