Många typer av cancer skulle lättare kunna behandlas om de upptäcktes i ett tidigare skede. MIT -forskare har nu utvecklat ett bildsystem, heter "DOLPHIN, "vilket kan göra det möjligt för dem att hitta små tumörer, så små som ett par hundra celler, djupt inne i kroppen.

I en ny studie, forskarna använde sitt bildsystem, som förlitar sig på nära-infrarött ljus, för att spåra en 0,1 millimeter fluorescerande sond genom matsmältningskanalen hos en levande mus. De visade också att de kan upptäcka en signal till ett vävnadsdjup på 8 centimeter, långt djupare än någon befintlig biomedicinsk optisk bildteknik.

Forskarna hoppas kunna anpassa sin bildteknik för tidig diagnos av äggstockscancer och andra cancerformer som för närvarande är svåra att upptäcka till sena skeden.

"Vi vill kunna hitta cancer mycket tidigare, "säger Angela Belcher, James Mason Crafts professor i biologisk teknik och materialvetenskap vid MIT och medlem av Koch Institute for Integrative Cancer Research, och den nyutnämnda chefen för MIT:s avdelning för biologisk teknik. "Vårt mål är att hitta små tumörer, och gör det på ett icke -invasivt sätt. "

Belcher är seniorförfattare till studien, som visas i 7 mars numret av Vetenskapliga rapporter . Xiangnan Dang, en tidigare MIT postdoc, och Neelkanth Bardhan, en Mazumdar-Shaw International Oncology Fellow, är huvudförfattarna till studien. Andra författare inkluderar forskare Jifa Qi och Ngozi Eze, tidigare postdoc Li Gu, postdoc Ching-Wei Lin, doktorand Swati Kataria, och Paula Hammond, David H. Koch professor i teknik, chef för MIT:s avdelning för kemiteknik, och medlem i Koch Institute.

Djupare avbildning

Befintliga metoder för avbildning av tumörer har alla begränsningar som hindrar dem från att vara användbara för tidig cancerdiagnos. De flesta har en avvägning mellan upplösning och bilddjup, och ingen av de optiska avbildningsteknikerna kan avbilda djupare än cirka 3 centimeter i vävnad. Vanliga skanningar som röntgentomografi (CT) och magnetisk resonansbildning (MRI) kan avbilda genom hela kroppen; dock, de kan inte på ett tillförlitligt sätt identifiera tumörer förrän de når cirka 1 centimeter i storlek.

Belchers labb bestämde sig för att utveckla nya optiska metoder för canceravbildning för flera år sedan, när de gick med i Koch Institute. De ville utveckla teknik som kunde avbilda mycket små grupper av celler djupt inuti vävnaden och göra det utan någon form av radioaktiv märkning.

Nära-infrarött ljus, som har våglängder från 900 till 1700 nanometer, är väl lämpad för vävnadsavbildning eftersom ljus med längre våglängder inte sprids lika mycket som när det träffar objekt, vilket gör att ljuset kan tränga djupare in i vävnaden. För att dra nytta av detta, forskarna använde en metod som kallas hyperspektral avbildning, vilket möjliggör samtidig avbildning i flera ljusets våglängder.

Forskarna testade sitt system med en mängd nära infraröda fluorescerande ljusemitterande sonder, främst natrium yttriumfluorid nanopartiklar som har sällsynta jordartsmetaller som erbium, holmium, eller praseodym tillsatt genom en process som kallas dopning. Beroende på valet av dopningselement, var och en av dessa partiklar avger nära-infrarött fluorescerande ljus med olika våglängder.

Med hjälp av algoritmer som de utvecklat, forskarna kan analysera data från den hyperspektrala skanningen för att identifiera källorna till fluorescerande ljus med olika våglängder, vilket gör att de kan bestämma platsen för en viss sond. Genom att ytterligare analysera ljus från smalare våglängdsband inom hela det nära IR-spektrumet, forskarna kan också bestämma på vilket djup en sond befinner sig. Forskarna kallar sitt system "DOLPHIN", som står för "Detection of Optically Luminescent Probes using Hyperspectral and diffuse Imaging in Near-infrared."

För att demonstrera den möjliga användbarheten av detta system, forskarna spårade ett kluster av 0,1 millimeter stora fluorescerande nanopartiklar som svaldes och sedan reste genom matsmältningskanalen hos en levande mus. Dessa sonder kan modifieras så att de riktar in sig på och fluorescerande märker specifika cancerceller.

"När det gäller praktiska tillämpningar, denna teknik skulle tillåta oss att icke-invasivt spåra en 0,1 millimeter stor fluorescensmärkt tumör, som är ett kluster på cirka några hundra celler. Så vitt vi vet, ingen har kunnat göra detta tidigare med hjälp av optiska bildtekniker, "Säger Bardhan.

Tidigare upptäckt

Forskarna visade också att de kunde injicera fluorescerande partiklar i en mus eller en råtta och sedan bild genom hela djuret, som kräver avbildning till ett djup av cirka 4 centimeter, för att avgöra var partiklarna hamnade. Och i tester med mänsklig vävnadsmimik och djurvävnad, de kunde lokalisera sonderna till ett djup av upp till 8 centimeter, beroende på typ av vävnad.

Denna typ av system kan användas med alla fluorescerande sondar som avger ljus i det nära infraröda spektrumet, inklusive några som redan är FDA-godkända, säger forskarna. Forskarna arbetar också med att anpassa bildsystemet så att det kan avslöja inneboende skillnader i vävnadskontrast, inklusive signaturer av tumörceller, utan någon form av fluorescerande etikett.

I det pågående arbetet, de använder en relaterad version av detta bildsystem för att försöka upptäcka äggstockstumörer i ett tidigt skede. Äggstockscancer diagnostiseras vanligtvis mycket sent eftersom det inte finns något enkelt sätt att upptäcka det när tumörerna fortfarande är små.

"Äggstockscancer är en fruktansvärd sjukdom, och det diagnostiseras så sent eftersom symptomen är så obeskrivliga, "Säger Belcher." Vi vill ha ett sätt att följa återkommande tumörer, och så småningom ett sätt att hitta och följa tidiga tumörer när de först går på vägen mot cancer eller metastaser. Detta är ett av de första stegen på vägen när det gäller att utveckla denna teknik. "

Forskarna har också börjat arbeta med att anpassa denna typ av bildbehandling för att upptäcka andra typer av cancer, såsom bukspottskörtelcancer, hjärncancer, och melanom.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.