Wetenschap
MIT-onderzoekers hebben een manier bedacht om gelijktijdig in meerdere golflengten van nabij-infrarood licht af te beelden, waardoor ze de diepte kunnen bepalen van deeltjes die verschillende golflengten uitzenden. Credit:afbeelding met dank aan de onderzoekers
Veel vormen van kanker zouden gemakkelijker te behandelen zijn als ze in een eerder stadium werden ontdekt. MIT-onderzoekers hebben nu een beeldvormingssysteem ontwikkeld, genaamd "DOLPHIN, " waarmee ze kleine tumoren zouden kunnen vinden, zo klein als een paar honderd cellen, diep in het lichaam.
In een nieuwe studie, de onderzoekers gebruikten hun beeldvormingssysteem, die vertrouwt op nabij-infrarood licht, om een fluorescerende sonde van 0,1 millimeter door het spijsverteringskanaal van een levende muis te volgen. Ze toonden ook aan dat ze een signaal kunnen detecteren tot een weefseldiepte van 8 centimeter, veel dieper dan welke bestaande biomedische optische beeldvormingstechniek dan ook.
De onderzoekers hopen hun beeldvormingstechnologie aan te passen voor vroege diagnose van eierstok- en andere kankers die momenteel moeilijk te detecteren zijn tot in de late stadia.
"We willen kanker veel eerder kunnen opsporen, " zegt Angela Belcher, de James Mason Crafts Professor of Biological Engineering and Materials Science aan het MIT en een lid van het Koch Institute for Integrative Cancer Research, en het nieuw benoemde hoofd van MIT's Department of Biological Engineering. "Ons doel is om kleine tumoren te vinden, en doe dat op een niet-invasieve manier."
Belcher is de senior auteur van de studie, die verschijnt in het nummer van 7 maart van Wetenschappelijke rapporten . Xiangnan Dang, een voormalig MIT-postdoc, en Neelkanth Bardhan, een Mazumdar-Shaw International Oncology Fellow, zijn de hoofdauteurs van het onderzoek. Andere auteurs zijn onder meer onderzoekswetenschappers Jifa Qi en Ngozi Eze, voormalig postdoc Li Gu, postdoc Ching-Wei Lin, afgestudeerde student Swati Kataria, en Paula Hammond, de David H. Koch hoogleraar techniek, hoofd van de afdeling Chemische Technologie van het MIT, en lid van het Koch Instituut.
Diepere beeldvorming
Bestaande methoden voor het afbeelden van tumoren hebben allemaal beperkingen waardoor ze niet bruikbaar zijn voor vroege diagnose van kanker. De meeste hebben een afweging tussen resolutie en diepte van beeldvorming, en geen van de optische beeldvormingstechnieken kan dieper dan ongeveer 3 centimeter in weefsel in beeld brengen. Veelgebruikte scans zoals röntgencomputertomografie (CT) en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) kunnen het hele lichaam in beeld brengen; echter, ze kunnen tumoren pas op betrouwbare wijze identificeren als ze ongeveer 1 centimeter groot zijn.
Het laboratorium van Belcher begon enkele jaren geleden met het ontwikkelen van nieuwe optische methoden voor kankerbeeldvorming. toen ze lid werden van het Koch Institute. Ze wilden technologie ontwikkelen die zeer kleine groepen cellen diep in het weefsel in beeld kon brengen en dat zonder enige vorm van radioactieve labeling.
Nabij-infrarood licht, met golflengten van 900 tot 1700 nanometer, is zeer geschikt voor weefselbeeldvorming omdat licht met langere golflengten niet zo veel verstrooit als wanneer het objecten raakt, waardoor het licht dieper in het weefsel kan doordringen. Om hiervan te profiteren, de onderzoekers gebruikten een benadering die bekend staat als hyperspectrale beeldvorming, die gelijktijdige beeldvorming in meerdere golflengten van licht mogelijk maakt.
De onderzoekers testten hun systeem met een verscheidenheid aan nabij-infrarood fluorescerende licht-emitterende sondes, voornamelijk natriumyttriumfluoride nanodeeltjes met zeldzame aardelementen zoals erbium, holmium, of praseodymium toegevoegd via een proces dat doping wordt genoemd. Afhankelijk van de keuze van het dopingelement, elk van deze deeltjes zendt nabij-infrarood fluorescerend licht van verschillende golflengten uit.
Met behulp van door hen ontwikkelde algoritmen, de onderzoekers kunnen de gegevens van de hyperspectrale scan analyseren om de bronnen van fluorescerend licht van verschillende golflengten te identificeren, waarmee ze de locatie van een bepaalde sonde kunnen bepalen. Door licht van smallere golflengtebanden binnen het gehele nabij-IR-spectrum verder te analyseren, de onderzoekers kunnen ook bepalen op welke diepte een sonde zich bevindt. De onderzoekers noemen hun systeem "DOLPHIN", wat staat voor "Detection of Optically Luminescent Probes met behulp van hyperspectrale en diffuse beeldvorming in nabij-infrarood."
Om het potentiële nut van dit systeem aan te tonen, de onderzoekers volgden een cluster van fluorescerende nanodeeltjes van 0,1 millimeter dat werd ingeslikt en vervolgens door het spijsverteringskanaal van een levende muis reisde. Deze sondes zouden kunnen worden aangepast zodat ze specifieke kankercellen targeten en fluorescent labelen.
"Als het gaat om praktische toepassingen, deze techniek zou ons in staat stellen om op een niet-invasieve manier een fluorescent gelabelde tumor van 0,1 millimeter te volgen, dat is een cluster van ongeveer een paar honderd cellen. Voor zover we weten, niemand heeft dit eerder kunnen doen met behulp van optische beeldvormingstechnieken, ' zegt Bardan.
Eerdere detectie
De onderzoekers toonden ook aan dat ze fluorescerende deeltjes in het lichaam van een muis of een rat konden injecteren en vervolgens het hele dier konden afbeelden. waarvoor beeldvorming nodig is tot een diepte van ongeveer 4 centimeter, om te bepalen waar de deeltjes terecht zijn gekomen. En in tests met nabootsingen van menselijk weefsel en dierlijk weefsel, ze waren in staat om de sondes te lokaliseren tot een diepte van maximaal 8 centimeter, afhankelijk van het soort weefsel.
Dit soort systeem kan worden gebruikt met elke fluorescerende sonde die licht uitzendt in het nabij-infraroodspectrum, waaronder enkele die al door de FDA zijn goedgekeurd, zeggen de onderzoekers. De onderzoekers werken ook aan het aanpassen van het beeldvormingssysteem, zodat het intrinsieke verschillen in weefselcontrast kan onthullen, inclusief handtekeningen van tumorcellen, zonder enige vorm van fluorescerend label.
Bij lopende werkzaamheden, ze gebruiken een verwante versie van dit beeldvormingssysteem om eierstoktumoren in een vroeg stadium op te sporen. Eierstokkanker wordt meestal erg laat gediagnosticeerd omdat er geen gemakkelijke manier is om het op te sporen als de tumoren nog klein zijn.
"Eierstokkanker is een vreselijke ziekte, en het wordt zo laat gediagnosticeerd omdat de symptomen zo onopvallend zijn, " zegt Belcher. "We willen een manier om herhaling van de tumoren te volgen, en uiteindelijk een manier om vroege tumoren te vinden en te volgen wanneer ze voor het eerst het pad naar kanker of metastase bewandelen. Dit is een van de eerste stappen op weg naar de ontwikkeling van deze technologie."
De onderzoekers zijn ook begonnen met het aanpassen van dit type beeldvorming om andere soorten kanker op te sporen, zoals alvleesklierkanker, hersenkanker, en melanoom.
Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com