Zoals speciale troepen die doelen laseren voor een bommenwerperpiloot, kleine deeltjes die op drie verschillende manieren tegelijk in beeld kunnen worden gebracht, hebben wetenschappers van de Stanford University School of Medicine in staat gesteld hersentumoren met ongekende nauwkeurigheid bij muizen te verwijderen.

In een onderzoek dat op 15 april online wordt gepubliceerd in Natuurgeneeskunde , een team onder leiding van Sam Gambhir, MD, doctoraat, hoogleraar en voorzitter van de radiologie, toonde aan dat de minuscule nanodeeltjes die in zijn laboratorium waren ontwikkeld, zich thuisvoelden in hersentumoren en deze benadrukten, hun grenzen nauwkeurig afbakenen en hun volledige verwijdering aanzienlijk vergemakkelijken. De nieuwe techniek kan op een dag de prognose van patiënten met dodelijke hersenkanker helpen verbeteren.

ongeveer 14, In de Verenigde Staten wordt jaarlijks bij 000 mensen hersenkanker vastgesteld. Van die gevallen, ongeveer 3, 000 zijn glioblastomen, de meest agressieve vorm van hersentumor. De prognose voor glioblastoom is somber:de mediane overlevingsduur zonder behandeling is drie maanden. Chirurgische verwijdering van dergelijke tumoren - een virtuele noodzaak waar mogelijk - verlengt de overleving van de typische patiënt met minder dan een jaar. Een belangrijke reden hiervoor is dat het zelfs voor de meest bekwame neurochirurg bijna onmogelijk is om de hele tumor te verwijderen en de normale hersenen te sparen.

"Bij hersentumoren, chirurgen hebben niet de luxe om grote hoeveelheden omringend normaal hersenweefsel te verwijderen om er zeker van te zijn dat er geen kankercellen achterblijven, " zei Gambhir, wie is de Virginia en D.K. Ludwig Professor voor klinisch onderzoek naar kankeronderzoek en directeur van het Molecular Imaging Program aan Stanford. "Je moet duidelijk zoveel mogelijk van de gezonde hersenen intact laten als je kunt."

Dit is een reëel probleem voor glioblastomen, dat zijn bijzonder ruige tumoren. Bij deze tumoren kleine vingerachtige uitsteeksels infiltreren gewoonlijk in gezonde weefsels, het volgen van de paden van bloedvaten en zenuwbanen. Een extra uitdaging vormen micrometastasen:minuscule tumorvlekken veroorzaakt door de migratie en replicatie van cellen uit de primaire tumor. Micrometastasen die verder gezond nabijgelegen weefsel stippelen, maar onzichtbaar voor het blote oog van de chirurg, kunnen uitgroeien tot nieuwe tumoren.

Hoewel hersenchirurgie tegenwoordig meestal wordt geleid door het blote oog van de chirurg, nieuwe moleculaire beeldvormingsmethoden kunnen dat veranderen, en deze studie toont het potentieel aan van het gebruik van hoogtechnologische nanodeeltjes om tumorweefsel voor en tijdens hersenchirurgie te markeren.

De nanodeeltjes die in het onderzoek worden gebruikt, zijn in wezen kleine gouden balletjes bedekt met beeldvormende reagentia. Elk nanodeeltje heeft een diameter van minder dan vijf miljoenste van een inch - ongeveer een zestigste van die van een menselijke rode bloedcel.

"We veronderstelden dat deze deeltjes, intraveneus geïnjecteerd, zou bij voorkeur in op tumoren maar niet op gezond hersenweefsel, " zei Gambhir, die ook lid is van het Stanford Cancer Institute. "De kleine bloedvaten die een hersentumor voeden, zijn lekkend, dus we hoopten dat de bolletjes uit deze vaten zouden bloeden en zich zouden nestelen in het nabijgelegen tumormateriaal." De gouden kernen van de deeltjes, verbeterd als ze zijn door gespecialiseerde coatings, zou dan de deeltjes tegelijkertijd zichtbaar maken voor drie verschillende methoden van beeldvorming, die elk op unieke wijze bijdragen aan een verbeterd chirurgisch resultaat.

Een van die methoden, magnetische resonantie beeldvorming, wordt al vaak gebruikt om chirurgen een idee te geven van waar in de hersenen de tumor zich bevindt voordat ze worden geopereerd. MRI is goed uitgerust om de grenzen van een tumor te bepalen, maar wanneer het preoperatief wordt gebruikt, kan het de positie van een agressief groeiende tumor in een subtiel dynamisch brein niet perfect beschrijven op het moment dat de operatie zelf plaatsvindt.

De nanodeeltjes van het Gambhir-team zijn gecoat met gadolinium, een MRI-contrastmiddel, op een manier die ze stabiel vasthoudt aan de relatief inerte bollen in een bloedachtige omgeving. (In een studie uit 2011 gepubliceerd in Science Translational Medicine, Gambhir en zijn collega's toonden in kleine diermodellen aan dat nanodeeltjes vergelijkbaar met die in deze nieuwe studie, maar zonder gadolinium, waren niet giftig.)

Een seconde, nieuwere methode is fotoakoestische beeldvorming, waarin lichtpulsen worden geabsorbeerd door materialen zoals de gouden kernen van de nanodeeltjes. De deeltjes worden iets warmer, het produceren van detecteerbare ultrasone signalen waaruit een driedimensionaal beeld van de tumor kan worden berekend. Omdat deze wijze van beeldvorming een hoge dieptepenetratie heeft en zeer gevoelig is voor de aanwezigheid van de gouddeeltjes, het kan nuttig zijn bij het begeleiden van het verwijderen van het grootste deel van een tumor tijdens een operatie.

De derde methode, genaamd Raman-beeldvorming, maakt gebruik van de capaciteit van bepaalde materialen (opgenomen in een laag die de gouden bollen bedekt) om bijna niet-detecteerbare hoeveelheden licht af te geven in een kenmerkend patroon dat bestaat uit verschillende verschillende golflengten. De oppervlakken van de gouden kernen versterken de zwakke Raman-signalen zodat ze door een speciale microscoop kunnen worden vastgelegd.

Om het nut van hun aanpak aan te tonen, de onderzoekers toonden eerst via verschillende methoden aan dat de nanodeeltjes van het laboratorium specifiek gericht waren op tumorweefsel, en alleen tumorweefsel.

Volgende, ze implanteerden verschillende soorten menselijke glioblastoomcellen diep in de hersenen van laboratoriummuizen. Na het injecteren van de beeldvormende nanodeeltjes in de staartaders van de muizen, ze konden visualiseren, met alle drie de beeldmodi, de tumoren die de glioblastomacellen hadden voortgebracht.

De MRI-scans gaven goede preoperatieve beelden van de algemene vormen en locaties van tumoren. En tijdens de operatie zelf, fotoakoestische beeldvorming toegestaan ​​nauwkeurige, realtime visualisatie van de randen van tumoren, verbetering van de chirurgische precisie.

Maar noch MRI, noch fotoakoestische beeldvorming op zichzelf kunnen gezond van kankerweefsel onderscheiden op een voldoende klein niveau om elk laatste stukje van een tumor te identificeren. Hier, de derde methode, Raman-beeldvorming, cruciaal gebleken. In de studie, Raman-signalen kwamen alleen van tumor-omhulde nanodeeltjes, nooit uit gezond weefsel zonder nanodeeltjes. Dus, nadat het grootste deel van de tumor van een dier was verwijderd, de zeer gevoelige Raman-beeldvormingstechniek was uiterst nauwkeurig in het markeren van resterende micrometastasen en kleine vingerachtige tumorprojecties die nog steeds verborgen waren in aangrenzend normaal weefsel dat bij visuele inspectie was gemist. Dit, beurtelings, maakte de verwijdering van deze gevaarlijke overblijfselen mogelijk.

"Nu kunnen we de omvang van de tumor leren voordat we naar de operatiekamer gaan, met moleculaire precisie worden begeleid tijdens de excisieprocedure zelf en dan direct daarna het eens onzichtbare resttumormateriaal kunnen 'zien' en eruit kunnen halen, te, " zei Gambhir, die suggereerde dat de neiging van de nanodeeltjes om op te warmen bij fotoakoestische stimulatie, gecombineerd met hun tumorspecificiteit, kunnen het ook mogelijk maken dat ze worden gebruikt om tumoren selectief te vernietigen. Hij sprak ook zijn optimisme uit dat dit soort precisie uiteindelijk zou kunnen worden toegepast op andere tumortypes.