Forskare från Helmholtz Zentrum München och University of California, Los Angeles (UCLA), gemensamt utvecklat nya bildverktyg för att tillåta icke-invasiv avbildning av olika strukturer, som blodkärl, i mångfärg och i realtid. Det nya avbildningssystemet är baserat på ett tillvägagångssätt som ofta används i andra branscher och möjliggör övervakning av flera parametrar (multiplexing) - en teknisk utmaning som kan störa framtida kliniska bildapplikationer.

Medicinsk bildbehandling är ett viktigt verktyg för diagnos och bildstyrd kirurgi. Bildbehandling hos däggdjur, dock, blir utmanande när motivet rör sig eller är vaken - en viktig förutsättning för noggrann övervakning. Nuvarande metoder har ännu inte uppnått en kombination av realtidsavbildning, multiplexering, hög grad av vävnadspenetration, och en adekvat upplösningsnivå som möjliggör åtskillnad mellan olika typer av strukturer t.ex. nerver och blodkärl.

Letar efter en bättre lösning

Forskargruppen som leds av biokemisten Oliver Bruns i München och kemisten Ellen Sletten i Los Angeles undersökte potentialen för kortvågig infraröd bildbehandling, eller SWIR -avbildning. Denna befintliga avbildningsmetod används vanligtvis i försvarsrelaterade applikationer och astronomi men hade hittills underexplorerats för kliniska tillämpningar.

"Vi ville dra nytta av det faktum att SWIR -regionen ger överlägsen upplösning och större vävnadspenetration än den nära infraröda regionen. Det erbjuder också ett utökat våglängdsintervall som möjliggör att flera kanaler är tillräckligt separerade för att detekteras sida vid sida, säger Ellen Sletten, som är professor vid Institutionen för kemi och biokemi vid UCLA och delade motsvarande författare. "Att utforska detta attribut kan vara avgörande för att övervaka flera parametrar samtidigt."

Utforska potentialen i ett nytt system

Teamet designade och syntetiserade nya färgämnen och kännetecknade deras fotofysiska egenskaper som indikerade deras förmåga till realtid multiplexerad excitation i de nära infraröda och SWIR-regionerna. Den utvecklade sedan en ny SWIR -bildkonfiguration med tre lasrar och en lämplig kamera och demonstrerade, in vivo, att de kunde fånga flerfärgade filmer i realtid. Dessutom, de tog bilder som tydligt skiljer lymfkärl från vener och artärer och övervakar deras funktion. Tekniken är också tillräckligt snabb för att avbilda i vakna och rörliga möss.

Vidare, realtidsåterkopplingen tillät bildstyrd kirurgi hos möss.

"Möjligheten att differentiera flera nära placerade vävnader, såsom lymf- och cirkulationsstrukturer och samtidigt övervaka deras funktion har konsekvenser i icke-invasiv diagnostik såväl som i expanderande teknik för fluorescensstyrd kirurgi, "tillägger Emily Cosco, som genomförde denna studie både vid Helmholtz Zentrum München och vid UCLA.

För närvarande, gruppen på Helmholtz Pioneer Campus samarbetar med kirurger och läkare vid Stanford samt i München och Köln för att översätta den nya tekniken till klinisk praxis inom en snar framtid. Tyngdpunkten i dessa kliniska samarbeten ligger på behandling av cancer och inflammation.

Oliver Bruns, den andra motsvarande författaren som är huvudutredare vid Helmholtz Pioneer Campus i Helmholtz Zentrum München, säger, "Vårt system har potential att störa medicinska applikationer. Nästa steg är att fastställa hur denna teknik kan översättas från bänken till sängen. En tydlig potentiell tillämpning är intraoperativ avbildning. Naturligtvis, mycket arbete krävs för att se vad som är den faktiska operationen som kommer att gynnas av SWIR men möjligheten att skilja strukturer i flera färger gör nu detta verktyg till en potentiell kandidat för tumörresektion. "