Fortschritte zur Früherkennung von Melanomen

Fortschritte zur Früherkennung von Melanomen
Fortschritte zur Früherkennung von Melanomen
Anonim

Das Melanom ist eine der selteneren Arten von Hautkrebs, aber es ist für die Mehrheit der Todesfälle durch Hautkrebs verantwortlich (etwa 75 Prozent).

Die 5-Jahres-Überlebensrate für Melanome im Frühstadium ist sehr hoch (98 Prozent), aber die Rate sinkt steil, wenn der Krebs spät erkannt wird oder es zu einem Rezidiv kommt.

Deshalb hängt viel von der Genauigkeit der anfänglichen Operation ab, bei der das Ziel darin besteht, so wenig Gewebe wie möglich zu entfernen und gleichzeitig "saubere Ränder" rund um den Tumor zu erh alten.

Bisher war kein bildgebendes Verfahren der Aufgabe gewachsen, die Grenzen des Melanoms genau genug zu definieren, um die Operation zu führen. Stattdessen neigen Chirurgen dazu, weit über die sichtbaren Ränder der Läsion hinaus zu schneiden, um sicherzugehen, dass sie das gesamte bösartige Gewebe entfernen.

Zwei Wissenschaftler der Washington University in St. Louis haben Technologien entwickelt, die zusammen dieses schwierige Problem zu lösen versprechen.

Ihre Lösung, die in der Juli-Ausgabe von ACS Nano beschrieben wird, kombiniert eine von Lihong Wang, PhD, Gene K. Beare Distinguished Professor of Biomedical Engineering, entwickelte Bildgebungstechnik und ein von Younan Xia, PhD, entwickeltes Kontrastmittel. der James M. McKelvey Professor für Biomedizinische Technik.

Bildgebungsverfahren und Kontrastmittel erzeugen zusammen Bilder von verblüffender dreidimensionaler Klarheit.

Photoakustische Tomographie

Das bildgebende Verfahren basiert auf dem von Alexander Graham Bell vor 100 Jahren entdeckten photoakustischen Effekt. Bell nutzte den Effekt für das, was er für seine größte Erfindung aller Zeiten hielt, das Fotophon, das Schall in Licht umwandelte, das Licht übertrug und es dann am Empfänger wieder in Schall umwandelte.

(Die Öffentlichkeit zog das Telefon dem Fototelefon vor, scherzhaften Berichten zufolge, weil sie einfach nicht glaubten, dass eine drahtlose Übertragung wirklich möglich sei.)

Beim Bell-Effekt erwärmt die Absorption von Licht ein Material leicht, typischerweise um Millikelvin, und der Temperaturanstieg verursacht eine thermoelastische Ausdehnung.

"Etwas Ähnliches passiert", sagt Wang, "wenn man einen Ballon erhitzt und sich ausdehnt."

Wenn das Licht mit der richtigen Frequenz gepulst wird, dehnt und zieht sich das Material zusammen und erzeugt eine Schallwelle.

"Wir erkennen das Tonsignal außerhalb des Gewebes, und von da an ist es ein mathematisches Problem", sagt Wang. "Wir verwenden einen Computer, um ein Bild zu rekonstruieren."

"Wir hören einer Struktur im Grunde zu, anstatt sie zu betrachten", sagt Wang.

"Mit rein optischer Bildgebung ist es schwierig, tief ins Gewebe zu blicken, da Licht absorbiert und gestreut wird", erklärt Wang. "Den nützlichen Photonen geht innerhalb eines Millimeters der Saft aus."

Photoakustische Tomographie (PAT) kann tiefe Strukturen erkennen, die Licht stark absorbieren, da Schall im Gewebe viel weniger gestreut wird als Licht.

"PAT verbessert die Gewebetransparenz um zwei bis drei Größenordnungen", sagt Wang.

Außerdem ist es viel sicherer als andere Methoden der tiefen Bildgebung. Es verwendet Photonen, deren Energie nur ein paar Elektronenvolt beträgt, während Röntgenstrahlen Energien von Tausenden von Elektronenvolt haben. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) erfordert ebenfalls hochenergetische Photonen, sagt Wang.

Ein intelligentes Kontrastmittel

Photoakustische Bilder von biologischem Gewebe können ohne die Verwendung von Kontrastmitteln gemacht werden, insbesondere wenn Gewebe durch Moleküle wie Hämoglobin oder Melanin pigmentiert sind.

Trotzdem sind photoakustische Bilder von Melanomen an den Rändern verschwommen und vage. Um den Kontrast zwischen bösartigem und normalem Gewebe zu verbessern, belädt Xia das bösartige Gewebe mit Gold.

"Gold kann Licht viel besser streuen und absorbieren als biologische Materialien", sagt Xia. "Ein Nanokäfig aus Gold absorbiert so viel Licht wie eine Million Melaninmoleküle", sagt Xia.

Xias Kontrastmittel besteht aus hohlen Goldkäfigen, so winzig, dass man sie nur durch die Farbe sehen kann, die sie gemeinsam der Flüssigkeit verleihen, in der sie schwimmen.

Durch Veränderung der Größe und Geometrie der Partikel können sie so abgestimmt werden, dass sie Licht über einen breiten Wellenlängenbereich absorbieren oder streuen.

Auf diese Weise verh alten sich die Nanopartikel ganz anders als massives Gold.

Für die photoakustische Bildgebung stimmt Xias Team die Nanokäfige so ab, dass sie bei 780 Nanometern stark absorbieren, einer Wellenlänge, die in ein schmales Fenster der Gewebetransparenz im nahen Infrarot fällt.

Licht an diesem optimalen Punkt kann mehrere Zentimeter tief in den Körper eindringen.

Nach der Injektion neigen die Goldpartikel dazu, sich in Tumoren anzusammeln, da die Zellen, die die Blutgefäße eines Tumors auskleiden, desorganisiert und undicht sind.

Aber Xia hat die Aufnahmerate dramatisch erhöht, indem sie die Nanopartikel mit einem Hormon dekoriert hat, das an Hormonrezeptoren auf den Zellen des Melanoms bindet.

Das Molekül ist ein Alpha-Melanozyten-stimulierendes Hormon, das leicht verändert wurde, um es im Körper stabiler zu machen. Dieses Hormon stimuliert normalerweise die Produktion und Freisetzung des braunen Pigments Melanin in Haut und Haar.

Wie bei vielen Krebsarten scheint dieses Hormon das Wachstum von Krebszellen zu stimulieren, die mehr Hormonrezeptoren produzieren als normale Zellen.

In Experimenten mit Mäusen nahmen Melanome viermal so viele "funktionalisierte" Nanokäfige auf wie Nanokäfige, die mit einer inerten Chemikalie beschichtet waren. Mit dem Kontrastmittel war das photoakustische Signal des Melanoms um 36 Prozent stärker.

Aber sehen ist glauben. Subkutane Maus-Melanome, die mit bloßem Auge kaum sichtbar sind, zeigen sich deutlich in den photoakustischen Bildern, ihre unterirdischen Halbinseln und bösartigen Inseln sind deutlich sichtbar.

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