Genom att efterlikna en fjärils invecklade visuella system, forskare har skapat en kamera som ger kirurger både en traditionell färgbild och en nära-infraröd bild som gör fluorescensmärkta cancerceller synliga även under stark kirurgisk belysning. Den nya kameran är utformad för att hjälpa kirurger att ta bort alla cancerceller utan att skada frisk vävnad, vilket gör det mindre troligt att cancern sprider sig och minskar behovet av flera operationer.

"Istället för att sätta ihop kommersiellt tillgänglig optik och sensorer för att bygga en kamera för bildstyrd kirurgi, vi tittade på naturens visuella system för inspiration, "sade forskargruppens ledare Viktor Gruev från University of Illinois i Urbana-Champaign." Morphofjärilen, vars ögon innehåller nanostrukturer som känner av multispektral information, kan skaffa både nära-infraröd och färginformation samtidigt. "

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskarna visar att deras bioinspirerade kamera kan upptäcka tumörer hos djur och är användbart för att bedöma stadiet av bröstcancer hos människor. Den nya kameran erbjuder mycket känslig fluorescensdetektering även under vanlig operationsbelysning, väger mindre än ett AA -batteri, och kan tillverkas för cirka $ 20.

"Under operationen, det är absolut nödvändigt att all cancervävnad tas bort, och vi har skapat en bildplattform som kan hjälpa kirurger att göra detta på alla sjukhus runt om i världen eftersom det är litet, kompakt och billig, "sa Gruev." Även om vi har tagit upp instrumenteringssidan, fluorescerande markörer som är riktade mot cancer och som är godkända för användning hos människor behövs för att vår teknik ska hitta en utbredd tillämpning. Flera av dessa är i kliniska prövningar nu, så vi borde se framsteg inom detta område snart. "

Att lära av naturen

Den nya kameran förbättrar kraftigt dagens kameror som är godkända av U.S. Food and Drug Administration (FDA) för visning av fluorescerande markörer under operationen. Många befintliga nära-infraröda kameror saknar känslighet för att upptäcka fluorescensmarkörer under kirurgiska inställningar, så rumslamporna måste dämpas för att se fluorescensen.

Ett annat problem med dagens infraröda avbildare är att fluorescensbilden inte alltid är exakt inriktad, eller samregistrerad, med vävnaden den kommer från. Detta händer eftersom FDA-godkända instrument använder flera optiska element, såsom stråldelare och relälinser, för att skilja de synliga och infraröda våglängderna, så att var och en kan skickas till separata detektorer. Små temperaturförändringar i rummet kan påverka optiken i dessa instrument och orsaka bildfel som kan leda till att en kirurg missar cancervävnad och samtidigt ta bort friska problem i onödan.

"Vi insåg att problemen med dagens infraröda avbildare kan lindras genom att använda nanostrukturer som liknar dem i morphofjärilen, "sa Missael Garcia, en postdoktoral forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign och huvudförfattare till tidningen. "Deras sammansatta ögon innehåller fotoreceptorer som ligger bredvid varandra så att varje fotoreceptor känner av olika våglängder av ljus på ett sätt som är i själva verket samregistrerat."

Den nya kameran använder en installation som liknar fjärilögat genom att sammanflätas olika nanoskala strukturer med en rad fotodetektorer, möjliggör insamling av färg- och nära-infraröd fluorescensinformation på en bildenhet. Integrationen av detektorn och bildoptiken i en enda monolitisk sensor håller enheten liten, billigt och okänsligt för temperaturförändringar.

Designen löser känslighetsproblemet på ett unikt sätt genom att låta varje pixel ta in det antal fotoner som behövs för att bygga upp en bild. Det tar inte lång tid att skapa den visuella våglängdsbilden för att se anatomin eftersom den synliga belysningen i labbet är hög. Å andra sidan, eftersom fluorescensen vanligtvis är svag, det tar längre tid att samla in ett tillräckligt antal fotoner för att bygga upp en tillräckligt ljus bild. Genom att ändra exponeringstiden så att varje pixel kan upptäcka de fotoner den behöver, en ljus fluorescensbild kan skapas utan att vävnadens färgbild överexponeras.

Prekliniska och kliniska tester

Forskarna testade sitt nya instrument på en musmodell som utvecklar spontan bröstcancer. Det betyder att den exakta platsen där cancern kommer att växa är okänd liksom antalet cancerceller. Använda fluorescerande etiketter som binder till cancerceller, forskarna visade att deras bioinspirerade avbildare möjliggjorde tumörupptäckt med en noggrannhet och känslighet som överträffar toppmoderna infraröda kameror FDA-godkända för bildstyrd kirurgi.

Forskarna testade också deras infraröda kameras förmåga att identifiera lymfkörtlar hos 11 patienter med bröstcancer vid Washington University School of Medicine i St. Louis. Eftersom lymfkörtlarna är en av de främsta platserna där bröstcancer sprider sig, kirurger kontrollerar dem för att bestämma cancerstadiet. Patienterna injicerades med FDA-godkänt indocyaningrönt fluorescerande färgämne som ackumuleras passivt i lymfkörtlarna och sedan visades fluorescensbilder från den bioinspirerade avbildaren antingen på en skärm eller projiceras på glasögon som bärs av kirurgerna.

"Vi visade att under starka kirurgiska lampor, vårt instrument var 1000 gånger mer känsligt för fluorescens än de bilder som för närvarande är godkända för infraröd bildstyrd kirurgi, "sa Gruev." Eftersom den bioinspirerade bilden kan avslöja fluorescens som ligger djupt i vävnaden, det påskyndade processen för identifiering av lymfkörtlar och hjälpte kirurger att hitta lymfkörtlar som inte kunde ses av ensam syn. "

Enligt forskarna, den bioinspirerade avbildaren skulle vara användbar för att ta bort olika typer av cancer, inklusive melanom, prostatacancer och cancer i huvud och nacke. På grund av sin lilla storlek kan den också integreras i ett endoskop för att leta efter cancer under en koloskopi, till exempel.

"En stor fördel med vårt instrument är dess kompakta storlek, "sa Garcia." Vi testade vårt instrument på ett sjukhus där det var trångt och såg att det inte trängde in i det kirurgiska arbetsflödet. "

Forskarna bildar nu ett nystartat företag för att kommersialisera sina bioinspirerade bilder och arbetar också med FDA för att utforma en klinisk prövning där kirurgerna kan jämföra kliniska beslut som tagits med den nya kameran med de som skulle fattas med FDA-godkänt bildare.