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Dec 29, 2023

Das neue Bildgebungssystem des CI MED-Professors bringt die Endoskopie zum „Heiligen Gral“ in der Krebschirurgie

Ein Professor des Carle Illinois College of Medicine (CI MED) und sein Forschungsteam haben die lohnende Reise vom Labortisch bis zum Operationssaal zurückgelegt und dabei ihre neue Technologie in den Händen von beobachtet

Ein Professor des Carle Illinois College of Medicine (CI MED) und sein Forschungsteam begaben sich auf die lohnende Reise vom Labortisch bis zum Operationssaal und beobachteten ihre neue Technologie in den Händen von Chirurgen, die Lungenkrebspatienten behandeln. Forscher am Cancer Center at Illinois (CCIL) haben ein verbessertes endoskopisches Bildgebungssystem entwickelt, das eine 60-prozentige Verbesserung gegenüber bestehenden, von der FDA zugelassenen endoskopischen Systemen erzielt. Die Arbeit baut auf der Arbeit des Biosensors Lab auf, das von CI MED Biomedical and Translational Sciences Professor Viktor Gruev geleitet wird, der auch Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of Illinois Urbana-Champaign ist.

Die Endoskopie entwickelt sich zu einem Standard in der Behandlung von Krebsverfahren. Die standardmäßige endoskopische „Weißlicht“-Technologie reicht jedoch nicht aus, wenn es darum geht, Krebszellen zu erkennen. Um dieses Problem zu lösen, entwarf Gruevs Team ein fluoreszenzgesteuertes endoskopisches Bildgebungssystem, das seinen von Fangschreckenkrebsen inspirierten hexachromatischen Bildsensor, ein neuartiges starres Endoskop, das speziell für die Farbbildgebung im nahen Infrarot (NIR) angepasst ist, und ein maßgeschneidertes Beleuchtungsfaserbündel integriert. Fluorophore – in diesem Fall Farbstoffe – sind fluoreszierende chemische Verbindungen, die die Zellen markieren und dann Licht zurücksenden, wenn sie durch Photonen angeregt werden.

Das bioinspirierte System geht über die traditionelle endoskopische Krebsbildgebungstechnologie hinaus und vollendet einen beeindruckenden Dreiklang. Mithilfe mehrerer NIR-Fluorophore bilden die neuartigen Systeme mehrere auf den Tumor gerichtete Sonden ab, quantifizieren Krebszellen und erkennen tumorspezifische Biomarker in Ex-vivo-Proben.

„Wir haben uns nicht damit zufrieden gegeben, einfach nur die Sicht des Chirurgen auf die Krebszellenlandschaft zu verbessern. Wir gingen noch einen Schritt weiter und identifizierten Biomarker in der Tumorumgebung, um Ärzten wertvollere Informationen für eine fundiertere Entscheidungsfindung zu liefern“, sagte Mebin Abu George, Erstautor der veröffentlichten Forschungsergebnisse des Teams.

Da viele Krebsarten eher heterogen als homogen sind, verschafft die Fähigkeit, verschiedene Biomarker zu sehen und zu interpretieren, dem Bildgebungssystem – und den Chirurgen – einen echten Vorteil.

„Der heilige Gral bei Krebsoperationen ist die Entfernung aller Krebszellen. Wir nähern uns einem Zeitalter, in dem es für dieses Ziel notwendig ist, mehrere auf den Tumor abzielende Medikamente zu entwickeln. Unser Labor ist führend bei der Entwicklung von Bildgebungstechnologien für dieses Ziel. Wir sind die Einzigen, die mehrere Nahinfrarot-Biomarker abbilden können. Die Herausforderung besteht weiterhin darin, dass Chemiker behördliche Zulassungen beantragen, damit die Medikamente in den Operationssaal gelangen können, wo wir darauf warten, sie abzubilden, um das gesamte Krebsgewebe auszurotten“, sagte Gruev.

Gruevs Labor ist seit über einem Jahrzehnt erfolgreich bei der Entwicklung multispektraler Kameras. Sie haben gesehen, wie die Früchte ihrer Arbeit in klinische Studien einflossen; Dies ist jedoch das erste Projekt des Teams zu minimalinvasiven Tests mit Endoskopie. Mit Mitteln des CCIL reiste das Forschungsteam wöchentlich zur University of Pennsylvania, um gemeinsam mit Mitarbeitern das neue Bildgebungssystem in der Klinik zu implementieren.

„Das Tüpfelchen auf dem i war unsere klinische Studie an der University of Pennsylvania, wo wir das System mit in den Operationssaal nahmen und den Chirurgen dabei zusahen, wie sie eine Krebsresektion durchführten. Der Chirurg übergab uns die Probe. Es hat uns daran erinnert, wofür wir hier sind – wir entwickeln nicht nur ein System in der Theorie; Wir wollen eine klinische Übersetzung sehen“, sagte George.

Was kommt als nächstes für das Forschungsteam?

„Dank des Förderzuschusses des CCIL wollen wir als Erweiterung dieses Projekts unsere Bildgebungstechnologie über kommunale Krankenhäuser und Krebszentren in den USA hinaus an Orte wie Benin in Afrika bringen, wo wir eine Partnerschaft haben. Wir wollen clevere, kostengünstige Designs für diejenigen entwickeln, die über weniger Ressourcen verfügen“, sagte Gruev.

Während das Team mit dem Design, der Entwicklung und der Implementierung dieser neuen Technologie einen Meilenstein erreicht hat, wird es weiterhin weitere klinische Studien zur Behandlung anderer Krebsarten durchführen. Die Forschungsergebnisse des Teams werden im Artikel „Bioinspired Color-Near Infrarot Endoscopic Imaging System for Molecular Guided Cancer Surgery“ im Journal of Biomedical Optics (JBO) veröffentlicht.

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Anmerkungen des Herausgebers:

Die Originalversion dieses Artikels des Cancer Center at Illinois finden Sie hier.

Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Dr. Sunil Singhal an der University of Pennsylvania durchgeführt. Es wurde durch Zuschüsse des US Air Force Office of Scientific Research (FA9550-18-1-0278), Congressional Directed Medical Research Programs (W81XWH-19-1-0299), der National Science Foundation (2030421) und des National Institute of finanziert Health (1P01CA254859) und unterstützt durch Mittel des Cancer Center at Illinois (CCIL).

Das Papier ist hier verfügbar: doi.org/10.1117/1.JBO.28.5.056002