Områden med hypoxi, eller låg syrehalt i vävnaden, är kännetecken på snabbväxande cancerformer och på blockeringar eller förträngningar i blodkärlen, såsom stroke eller perifer artärsjukdom. University of Illinois forskare har utvecklat ett sätt att hitta hypoxiska fläckar noninvasively i realtid.

Forskarna utvecklade en syrekänslig molekylär fyr som sänder ut ultraljudssignaler som svar på ljus, en process som kallas fotoakustisk avbildning - en mindre invasiv, högre upplösning och billigare metod än den nuvarande kliniska standarden, som använder radioaktiva molekyler och positronemissionstomografi. I en tidning publicerad i Naturkommunikation , forskarna visade sondens förmåga att avbilda hypoxiska tumörer och sammandragna artärer hos möss.

"Vi skulle kunna ge en läkare en tredimensionell, realtidsvy in i vävnaden för att vägleda kirurgiska ingrepp och behandlingsplaner, " sa kemiprofessor Jefferson Chan, ledaren för studien. Doktorand Hailey Knox och bioteknikprofessor Wawrzyniec Lawrence Dobrucki var medförfattare till uppsatsen.

"Förmågan att upptäcka detta på ett sätt som inte kräver operation eller inte förlitar sig på indirekta metoder är verkligen kraftfull, eftersom du faktiskt kan se det när det utvecklas, " sa Chan.

Nuvarande metoder för att upptäcka hypoxi i vävnad kan endast identifiera kronisk hypoxi, och kan därför inte hjälpa läkare att hitta aggressiva cancerformer eller akuta tillstånd som en stroke som kräver omedelbar ingripande, sa Chan. Sådana metoder är begränsade till invasiva procedurer som involverar stora elektrodnålar eller indirekt avbildning med radioaktiva sonder, som har de extra utmaningarna med aktivering och störningar utanför målet.

De molekylära sonderna som Chans grupp utvecklade blir bara aktiva när syre saknas. När man blir upphetsad av ljus, de producerar en ultraljudssignal, möjliggör direkt 3D-avbildning av hypoxiska områden. De testade systemet på cellkulturer, och sedan i levande möss med bröstcancer och möss med sammandragna artärer i benen.

"Systemet som vi använde i den här studien är ett prekliniskt system för djur. i en klinisk miljö, du kan ta en vanlig ultraljudsmaskin och utrusta den med en ljuskälla - du kan köpa lysdioder för cirka 200 USD som är tillräckligt kraftfulla och säkra för kliniska tillämpningar, " sa Chan. Läkare skulle administrera de fotoakustiska molekylerna till patienten, antingen genom att injicera i en ven eller direkt på ett tumörställe, använd sedan den modifierade ultraljudsmaskinen för att visualisera intresseområdet.

Forskarna fann att deras fotoakustiska metod kunde hitta hypoxi bara minuter efter att en muss artär var sammandragen, visar löfte om att snabbt hitta strokeplatser eller blodproppar i djup vävnad. Hos möss med cancer, sonderna aktiverade detaljerade, 3-D ultraljudsavbildning av hypoxiska tumörer.

"Vi vet att många tumörer är hypoxiska, så många nya behandlingar har utvecklats som aktiveras under syrebristtillstånd. Men de har varit inkonsekventa i kliniska prövningar, eftersom inte alla tumörer är hypoxiska, ", sade Chan. "Detta ger forskare och läkare ett sätt att noninvasivt titta inuti tumörer och avgöra om en patients tumör är hypoxisk och de skulle vara en bra kandidat för ett nytt läkemedel. Om tumören inte ser särskilt hypoxisk ut, de borde gå in i en annan behandlingsplan."

En annan fördel är den låga kostnaden för att producera molekylerna och deras långa hållbarhet, sa forskarna. De kan hålla sig stabila i åratal, medan radioaktiva molekyler måste användas kort efter tillverkningen och kräver särskild utbildning för användning.

Chans grupp undersöker andra typer av fotoakustiska molekyler som kan avbilda andra tillstånd. Till exempel, de arbetar med sönder som kan upptäcka specifika cancerformer så att de kan hitta alla ställen där cancer har spridit sig eller metastaserats i en patients kropp.

"Du kan inte bara upptäcka en cancer och upptäcka dess egenskaper, men det har många vägar för patientvård. Vi kan titta på hela isberget istället för toppen av isberget, " sa Chan.