Door het ingewikkelde visuele systeem van een vlinder na te bootsen, onderzoekers hebben een camera gemaakt die chirurgen zowel een traditioneel kleurenbeeld als een nabij-infraroodbeeld biedt dat fluorescent gelabelde kankercellen zichtbaar maakt, zelfs onder fel chirurgisch licht. De nieuwe camera is ontworpen om chirurgen te helpen alle kankercellen te verwijderen zonder gezond weefsel te beschadigen. waardoor het minder waarschijnlijk is dat de kanker zich zal verspreiden en de noodzaak voor meerdere operaties wordt verminderd.

"In plaats van commercieel beschikbare optica en sensoren samen te stellen om een ​​camera te bouwen voor beeldgestuurde chirurgie, we keken naar de visuele systemen van de natuur voor inspiratie, " zei onderzoeksteamleider Viktor Gruev van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. "De morpho-vlinder, wiens ogen nanostructuren bevatten die multispectrale informatie waarnemen, kan zowel nabij-infrarood- als kleurinformatie tegelijkertijd verkrijgen."

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, de onderzoekers tonen aan dat hun bio-geïnspireerde camera tumoren bij dieren kan detecteren en nuttig is voor het beoordelen van het stadium van borstkanker bij mensen. De nieuwe camera biedt zeer gevoelige fluorescentiedetectie, zelfs onder standaard operatiekamerverlichting, weegt minder dan een AA-batterij, en kan worden vervaardigd voor ongeveer $ 20.

"Tijdens de operatie het is absoluut noodzakelijk dat al het kankerweefsel wordt verwijderd, en we hebben een beeldvormingsplatform gecreëerd dat chirurgen kan helpen dit in elk ziekenhuis over de hele wereld te doen, omdat het klein is, compact en goedkoop, " zei Gruev. "Hoewel we de instrumentatie hebben aangepakt, Er zijn fluorescerende markers nodig die gericht zijn op kanker en die zijn goedgekeurd voor gebruik bij mensen, zodat onze technologie wijdverbreid kan worden toegepast. Verschillende hiervan zijn nu in klinische proeven, dus we zouden snel vooruitgang moeten zien op dit gebied."

Leren van de natuur

De nieuwe camera is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de huidige camera's die zijn goedgekeurd door de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) voor het bekijken van fluorescerende markers tijdens operaties. Veel bestaande nabij-infraroodcamera's missen de gevoeligheid om fluorescentiemarkers te detecteren onder chirurgische instellingen, dus de kamerverlichting moet worden gedimd om de fluorescentie te zien.

Een ander probleem met de huidige infraroodcamera's is dat het fluorescentiebeeld niet altijd precies is uitgelijnd, of medegeregistreerd, met het weefsel waaruit het voortkomt. Dit gebeurt omdat FDA-goedgekeurde instrumenten meerdere optische elementen gebruiken, zoals bundelsplitsers en relaislenzen, om de zichtbare en infrarode golflengten te scheiden, zodat elk naar afzonderlijke detectoren kan worden gestuurd. Lichte temperatuurveranderingen in de kamer kunnen de optica in deze instrumenten beïnvloeden, waardoor beeldafwijkingen ontstaan ​​die ertoe kunnen leiden dat een chirurg kankerweefsel mist terwijl het gezonde probleem onnodig wordt verwijderd.

"We realiseerden ons dat de problemen van de huidige infraroodcamera's kunnen worden verzacht door nanostructuren te gebruiken die vergelijkbaar zijn met die in de morpho-vlinder, " zei Missael Garcia, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en hoofdauteur van het artikel. "Hun samengestelde ogen bevatten fotoreceptoren die naast elkaar zijn geplaatst, zodat elke fotoreceptor verschillende golflengten van licht waarneemt op een manier die intrinsiek co-geregistreerd is."

De nieuwe camera gebruikt een opstelling die lijkt op het vlinderoog door verschillende structuren op nanoschaal te verweven met een reeks fotodetectoren, waardoor het verzamelen van kleur- en nabij-infraroodfluorescentie-informatie op één beeldvormingsapparaat mogelijk wordt. Door de detector en beeldvormende optica te integreren in een enkele monolithische sensor blijft het apparaat klein, goedkoop en ongevoelig voor temperatuurveranderingen.

Het ontwerp lost het gevoeligheidsprobleem op unieke wijze op doordat elke pixel het aantal fotonen kan opnemen dat nodig is om een ​​afbeelding op te bouwen. Het duurt niet lang om het visuele golflengtebeeld te maken om de anatomie te bekijken, aangezien de zichtbare verlichting in het laboratorium hoog is. Anderzijds, omdat fluorescentie doorgaans zwak is, het duurt langer om voldoende fotonen te verzamelen om een ​​voldoende helder beeld op te bouwen. Door de belichtingstijd te wijzigen zodat elke pixel de fotonen kan detecteren die hij nodig heeft, er kan een helder fluorescentiebeeld worden gemaakt zonder het kleurenbeeld van het weefsel te overbelichten.

Preklinische en klinische testen

De onderzoekers testten hun nieuwe instrument op een muismodel dat spontane borstkanker ontwikkelt. Dit betekent dat de exacte locatie waar de kanker zal groeien onbekend is, evenals het aantal kankercellen. Met behulp van fluorescerende labels die binden aan kankercellen, de onderzoekers toonden aan dat hun bio-geïnspireerde imager tumordetectie mogelijk maakte met een nauwkeurigheid en gevoeligheid die de geavanceerde infraroodcamera's overtreft die door de FDA zijn goedgekeurd voor beeldgeleide chirurgie.

De onderzoekers testten ook het vermogen van hun infraroodcamera om lymfeklieren te identificeren bij 11 patiënten met borstkanker aan de Washington University School of Medicine in St. Louis. Omdat de lymfeklieren een van de belangrijkste plaatsen zijn waar borstkanker zich verspreidt, chirurgen controleren ze om het kankerstadium te bepalen. De patiënten werden geïnjecteerd met door de FDA goedgekeurde indocyanine groene fluorescerende kleurstof die zich passief ophoopt in de lymfeklieren en vervolgens werden fluorescentiebeelden van de bio-geïnspireerde imager weergegeven op een scherm of geprojecteerd op een bril die door de chirurgen werd gedragen.

"We toonden aan dat onder felle chirurgische lichten, ons instrument was 1000 keer gevoeliger voor fluorescentie dan de imagers die momenteel zijn goedgekeurd voor infraroodbeeldgeleide chirurgie, " zei Gruev. "Omdat de bio-geïnspireerde imager fluorescentie kan onthullen die diep in het weefsel zit, het versnelde het proces van identificatie van lymfeklieren en hielp chirurgen om lymfeklieren te vinden die niet alleen met het gezichtsvermogen konden worden gezien."

Volgens de onderzoekers is de bio-geïnspireerde imager zou nuttig zijn voor het verwijderen van verschillende soorten kanker, inclusief melanomen, prostaatkanker en hoofd-halskanker. Vanwege zijn kleine formaat kan het ook worden geïntegreerd in een endoscoop om kanker te zoeken tijdens een colonoscopie, bijvoorbeeld.

"Een groot voordeel van ons instrument is het compacte formaat, " zei Garcia. "We hebben ons instrument getest in een ziekenhuis waar de ruimte krap was en we zagen dat het de chirurgische workflow niet verstoort."

De onderzoekers vormen nu een start-up bedrijf om hun bio-geïnspireerde imager te commercialiseren en werken ook samen met de FDA om een ​​klinische proef te ontwerpen waarin de chirurgen klinische beslissingen die met de nieuwe imager worden genomen kunnen vergelijken met die welke zouden worden gemaakt met door de FDA goedgekeurde beeldmakers.