Äggstockscancer diagnostiseras vanligtvis först efter att den har nått ett framskridet stadium, med många tumörer spridda över hela buken. De flesta patienter opereras för att ta bort så många av dessa tumörer som möjligt, men eftersom vissa är så små och utbredda, det är svårt att utrota dem alla.

Forskare vid MIT, arbetar med kirurger och onkologer vid Massachusetts General Hospital (MGH), har nu utvecklat ett sätt att förbättra noggrannheten av denna operation, kallas debulking. Med hjälp av ett nytt fluorescensbildsystem, de kunde hitta och ta bort tumörer så små som 0,3 millimeter – mindre än ett vallmofrö – under operation på möss. Möss som genomgick denna typ av bildstyrd operation överlevde 40 procent längre än de som fick tumörer borttagna utan det guidade systemet.

"Det som är trevligt med det här systemet är att det tillåter realtidsinformation om storleken, djup, och distribution av tumörer, " säger Angela Belcher, James Mason Crafts professor i biologisk teknik och materialvetenskap vid MIT, medlem av Koch Institute for Integrative Cancer Research, och den nyligen utnämnde chefen för MIT:s institution för biologisk teknik.

Forskarna söker nu FDA-godkännande för en klinisk fas 1-prövning för att testa avbildningssystemet på mänskliga patienter. I framtiden, de hoppas kunna anpassa systemet för att övervaka patienter med risk för tumörrecidiv, och så småningom för tidig diagnos av äggstockscancer, vilket är lättare att behandla om det fångas tidigare.

Belcher och Michael Birrer, tidigare chef för medicinsk gynekologisk onkologi vid MGH och nu chef för O'Neal Comprehensive Cancer Center vid University of Alabama i Birmingham, är seniorförfattarna till studien, publiceras online i tidskriften ACS Nano Denna vecka.

Neelkanth Bardhan, en Mazumdar-Shaw International Oncology Fellow vid Koch Institute, och Lorenzo Ceppi, en forskare vid MGH, är huvudförfattarna till tidningen. Andra författare inkluderar MGH-forskaren YoungJeong Na, MIT Lincoln Laboratory tekniska personal Andrew Siegel och Nandini Rajan, Robert Fruscio från universitetet i Milano-Bicocca, och Marcela del Carmen, en gynekologisk onkolog vid MGH och chefsläkare för Massachusetts General Physicians Organization.

Glödande tumörer

Eftersom det inte finns något bra sätt att upptäcka äggstockscancer i tidigt skede, det är en av de svåraste typerna av cancer att behandla. Av 250, 000 nya fall diagnostiseras varje år över hela världen, 75 procent är i ett framskridet stadium. I USA, den femåriga kombinerade överlevnaden för alla stadier av äggstockscancer är 47 procent, endast en liten förbättring från 38 procent för tre decennier sedan, trots tillkomsten av kemoterapeutiska läkemedel som cisplatin, godkänd av FDA 1978 för behandling av äggstockscancer. I kontrast, den femåriga kombinerade överlevnaden för alla stadier av bröstcancer har stadigt förbättrats, från omkring 75 procent på 1970-talet till över 90 procent nu.

"Vi behöver desperat bättre behandlingar i förväg, inklusive kirurgi, för dessa (äggstockscancer) patienter, säger Birrer.

Belcher och Birrer gick samman för att arbeta med detta problem genom broprojektet, ett samarbete mellan Koch Institute och Dana-Farber/Harvard Cancer Center. Belchers labb har utvecklat en ny typ av medicinsk bildbehandling baserad på ljus i det nära-infraröda (NIR) spektrumet. I en tidning som publicerades i mars, hon rapporterade att detta bildsystem kunde uppnå en oöverträffad kombination av upplösning och penetrationsdjup i levande vävnad.

I den nya studien, Belcher, Birrer, och deras kollegor arbetade med forskare vid MIT Lincoln Laboratory för att anpassa NIR-avbildning för att hjälpa kirurger att lokalisera tumörer under äggstockscancerkirurgi, genom att tillhandahålla kontinuerliga, realtidsavbildning av buken, med tumörer framhävda av fluorescens. Tidigare analyser har visat att överlevnadsfrekvensen är starkt omvänt korrelerad med mängden kvarvarande tumörmassa som lämnas kvar i patienten under debulkingskirurgi, men många äggstockstumörer är så små eller dolda att kirurger inte kan hitta dem.

För att göra tumörerna synliga, forskarna designade kemiska sonder med enkelväggiga kolnanorör som avger fluorescerande ljus när de belyses av en laser. De täckte dessa nanorör med en peptid som binder till SPARC, ett protein som överuttrycks av mycket invasiva äggstockscancerceller. Denna sond binder till tumörerna och får dem att fluorescera vid NIR-våglängder, så att kirurger lättare kan hitta dem med fluorescensavbildning.

Forskarna testade det bildstyrda systemet i möss som hade äggstockstumörer implanterade i en region av bukhålan som kallas det intraperitoneala utrymmet, och visade att kirurger kunde lokalisera och ta bort tumörer så små som 0,3 millimeter. Tio dagar efter operationen dessa möss hade inga detekterbara tumörer, medan möss som hade genomgått den traditionella, icke-bildstyrd kirurgi, hade många kvarvarande tumörer som kirurgen missat.

Senast tre veckor efter operationen, många av tumörerna hade växt tillbaka i mössen som genomgick bildstyrd operation, men dessa möss hade fortfarande en medianöverlevnad som var 40 procent längre än för möss som genomgick traditionell kirurgi.

Inget annat bildsystem skulle kunna lokalisera så små tumörer under ett kirurgiskt ingrepp, säger forskarna.

"Du kan inte ha en patient i en CT-maskin eller en MRI-maskin och låta kirurgen utföra denna kirurgiska debulkingsprocedur samtidigt, och du kan inte utsätta patienten för röntgenstrålning under flera timmar av den långa operationen. Detta optikbaserade bildsystem låter oss göra det på ett säkert sätt, säger Bardhan.

Alessandro Santin, en professor i obstetrik och gynekologi och ledare för kliniskt forskningsprogram vid Yale University School of Medicine, beskrev resultaten som "intrigerande".

"Dessa data stödjer den potentiella användningen av detta nya bildsystem i den intraoperativa miljön för optisk detektering av kvarvarande malign vävnad vid tidpunkten för kirurgisk stadieindelning, och/eller cytoreduktiv kirurgi hos patienter med äggstockscancer, säger Santin, som inte var inblandad i studien.

Övervakning av patienter

För de flesta äggstockscancerpatienter, tumördebulkingskirurgi följs av kemoterapi, så forskarna planerar nu att göra en annan studie där de behandlar mössen med kemoterapi efter bildstyrd operation, i hopp om att förhindra att de återstående små tumörerna sprids.

"Vi vet att mängden tumör som avlägsnades vid operationstillfället för patienter med äggstockscancer i framskridet stadium är direkt korrelerad med deras resultat, " säger Birrer. "Denna bildapparat kommer nu att tillåta kirurgen att gå utöver gränserna för att avlägsna tumörer som är synliga för blotta ögat, och bör inleda en ny tid av effektiv debulkingkirurgi."

Nu när de har visat att detta koncept framgångsrikt kan tillämpas på bildbehandling under operation, forskarna hoppas kunna börja anpassa systemet för användning på mänskliga patienter.

"I princip, det är ganska genomförbart, " säger Siegel. "Det är enbart mekaniken och finansieringen vid det här laget, eftersom det här musexperimentet fungerar som principbeviset och faktiskt kan ha varit mer utmanande än att bygga ett system i mänsklig skala."

Forskarna hoppas också kunna använda denna typ av bildbehandling för att övervaka patienter efter operation, och så småningom att utveckla det som ett diagnostiskt verktyg för screening av kvinnor med hög risk att utveckla äggstockscancer.

"Ett stort fokus för oss just nu är att utveckla tekniken för att kunna diagnostisera äggstockscancer tidigt, i steg 1 eller steg 2, innan sjukdomen sprids, " säger Belcher. "Det kan ha en enorm inverkan på överlevnadsgraden, eftersom överlevnad är relaterad till detektionsstadiet."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.