При хирургическом лечении рака решающее значение имеет различие между опухолями и здоровыми тканями. В этом могут помочь флуоресцентные маркеры, усиливающие контрастность опухолей во время операции. Некоторые маркеры показывают явление, называемое «задержанная флуоресценция» (DF), которое основано на обнаружении «гипоксии» (или низкой концентрации кислорода), состояния, которое часто проявляется опухолями. Визуализация гипоксии в режиме реального времени может обеспечить высокий контраст между опухолями и здоровыми клетками. Это может позволить хирургам эффективно удалить опухоль. Тем не менее, визуализация гипоксии в режиме реального времени для хирургического контроля еще не достигнута.

В новом исследовании, опубликованном в Journal of Biomedical Optics(JBO) исследователи предложили систему оптической визуализации, которая позволяет в режиме реального времени отображать концентрацию кислорода в тканях опухолей, представляющих хроническую или транзиторную гипоксию. Команда добилась этого, используя эндогенную молекулу под названием протопорфирин IX (PpIX), которая демонстрирует DF в диапазоне от красного до ближнего инфракрасного диапазона. «Это действительно уникальный репортер локального парциального давления кислорода в тканях. PpIX эндогенно синтезируется митохондриями в большинстве тканей, и особое свойство эмиссии DF напрямую связано с низкой концентрацией кислорода в микроокружающей среде», — объясняет Брайан Пог, заведующий кафедрой медицины. физики в Университете Висконсин-Мэдисон, адъюнкт-профессор инженерных наук в Дартмутском колледже и старший автор исследования. «Здоровые клетки практически не показывают DF,

Техническая проблема обнаружения DF связана с его низкой интенсивностью; фоновый шум затрудняет обнаружение без детектора одного фотона. Команда преодолела эту проблему, используя высокочувствительную систему визуализации с временным стробированием, которая позволяет обнаруживать сигнал только в пределах заданного временного окна. Это значительно уменьшает фоновый шум и позволяет напрямую отображать изменения парциального давления кислорода (pO 2 ) в широком поле с помощью полученного сигнала пеленгации. Результатом является метаболическая информация в режиме реального времени, полезная карта для хирургического руководства.

Получение как быстрой, так и замедленной флуоресценции в быстром последовательном цикле позволило визуализировать уровни кислорода таким образом, который не зависел от концентрации PpIX».

Артур Петюссо, ведущий автор, кандидат технических наук, Дартмутский колледж

Команда Петюссо продемонстрировала эффективность своего метода, используя мышиные модели рака поджелудочной железы, у которых обнаруживались гипоксические опухоли. Сигнал DF, полученный от раковых клеток, был более чем в пять раз сильнее, чем от окружающих здоровых тканей, насыщенных кислородом. Контрастность сигнала дополнительно усиливалась при пальпации тканей перед визуализацией для дальнейшего усиления временной гипоксии.

По словам Фредерика Леблона, профессора инженерной физики Политехнического университета Монреаля и помощника редактора JBO, «результаты, представленные группой Петюссо, предполагают, что визуализация гипоксии является эффективным подходом к выявлению опухолей при лечении рака. Для обнаружения PpIX DF используется известный клинический краситель и уже… одобренный человеческий маркер с большим потенциалом для хирургического руководства и многое другое». Petusseau отмечает, что визуализация pO 2 в тканях может также позволить контролировать тканевой метаболизм. Это, в свою очередь, помогло бы нам лучше понять биохимию, связанную с поставкой и потреблением кислорода.