NIBIB-finanzierte Forscher haben ein hochempfindliches und genaues Bildgebungsverfahren für das nicht-invasive Screening von Lymphknoten auf metastasierenden Krebs entwickelt. Die derzeitige Praxis erfordert invasive chirurgische Biopsien, um festzustellen, ob tödliche metastatische Krebszellen in die Lymphknoten eingedrungen sind. Die neue Bildgebungstechnik – bisher an Mäusen getestet – bietet ein schnelles und effektives Werkzeug, um sehr kleine Zahlen dieser Zellen, die als Mikrometastasen bekannt sind, nichtinvasiv zu identifizieren und so die Ausbreitung von Krebs in seinen frühesten Stadien zu erkennen, was für eine rechtzeitige Behandlung entscheidend ist.
Die Arbeit, die an der University of Texas at Austin und dem MD Anderson Cancer Center der University of Texas entwickelt wurde, wird in der Oktoberausgabe von Cancer Research veröffentlicht. Die Technik verwendet einen bildgebenden Ansatz, der als ultraschallgeführte Photoakustik bekannt ist, in Kombination mit Nanosensoren, die darauf ausgelegt sind, metastatische Zellen in Lymphknoten anzuvisieren und zu identifizieren.
Richard Conroy, Ph. D., Direktor des NIBIB-Programms für molekulare Bildgebung, erläutert das Potenzial der Technologie: „Diese Arbeit ist ein hervorragendes Beispiel für die Entwicklung einer Spitzentechnologie, die in einem experimentellen System sehr gut funktioniert sondern hat auch ein großes Potenzial, die Art und Weise zu verändern, wie wir Krebsmetastasen überwachen und diagnostizieren. Die frühzeitige Identifizierung der Ansammlung von Zellen durch eine molekulare Charakterisierung bietet die Möglichkeit für eine gezieltere und wirksamere Behandlung und weniger Nebenwirkungen."
Mehr als 90 % der Krebstodesfälle können direkt oder indirekt auf Metastasen zurückgeführt werden. In der derzeitigen klinischen Praxis wird ein invasives chirurgisches Verfahren namens Sentinel-Lymphknoten (SLN)-Biopsie verwendet, um die regionale Ausbreitung des Tumors zu identifizieren. Dieses Verfahren führt bei Hunderttausenden von Krebspatienten pro Jahr zu Nebenwirkungen wie Schwellungen, Schmerzen, Taubheitsgefühl und Infektionsrisiko.
Um die Genauigkeit und Sicherheit von Lymphknotenbiopsien zu verbessern, wurde eine Reihe von nicht-invasiven Bildgebungsverfahren an Tieren und Patienten getestet. Bildgebende Verfahren, einschließlich Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und Magnetresonanztomographie (MRT), haben ein gewisses Potenzial gezeigt, aber derzeit fehlt es ihnen an Spezifität und Sensitivität, um die invasive Lymphknotenbiopsie zu ersetzen. Die UT-Forschungsgruppe war sich der Mängel früherer Versuche zur Verwendung nichtinvasiver Bildgebungstechniken bewusst und entwickelte eine Technologie, die nichtinvasiv ist und möglicherweise eine bessere Empfindlichkeit, Genauigkeit und Spezifität aufweist als eine chirurgische Biopsie.
Die Verbesserung der Empfindlichkeit und Genauigkeit kommt von der intelligenten Bildgebungssonde, die mit den metastatischen Zellen interagiert. Die Gruppe baute für diese Aufgabe einen molekular aktivierten plasmonischen Nanosensor (MAPS). Zu den MAPS-Komponenten gehört ein Gold-Nanopartikel, der Teil des Nanosensors, der vom Bildgebungssystem gesehen wird. Der MAPS-Nanosensor enthält außerdem einen Antikörper gegen den epidermalen Wachstumsfaktorrezeptor (EGFR). Dieser Antikörper wurde ausgewählt, weil EGFR auf der Oberfläche vieler Krebszellen, einschließlich Lunge, Mundhöhle und Gebärmutterhals, ungewöhnlich stark exprimiert wurde. Mit diesen beiden Komponenten kann das MAPS die metastatische Zelle finden, indem es den Antikörper verwendet, der an den EGFR-Rezeptor bindet, und kann mit photoakustischen Bildgebungssystemen gesehen werden, die das Goldnanopartikel erkennen, aber nur, wenn das MAPS mit einer Krebszelle interagiert.
Um die an metastatische Zellen in den Lymphknoten gebundenen Gold-Nanopartikel nachzuweisen, entwickelten die Forscher ein ultraschallgeführtes spektroskopisches photoakustisches (sPA) Bildgebungssystem. Die Technologie bietet den hohen Kontrast und die Empfindlichkeit optischer Bildgebung mit der Fähigkeit von Ultraschall, selbst in Geweben tief im Inneren des Körpers eine klare Auflösung zu liefern.
Die Forscher testeten das System in einem Mausmodell für Mundkrebs. Den Mäusen wurden die auf EGFR gerichteten MAPS injiziert und anschließend unter Verwendung von sPA abgebildet. Die Ergebnisse zeigten, dass die MAPS spezifisch an die metastatischen Zellen in den Lymphknoten in der Nähe des Mundhöhlentumors banden und mit dem sPA-Bildgebungssystem deutlich sichtbar waren. Die Fähigkeit des MAPS, nur an die metastatischen Zellen in den Lymphknoten zu binden, und die Fähigkeit des sPA-Bildgebungssystems, mit MAPS markierte Krebszellen eindeutig zu erkennen, waren laut den Forschern beeindruckend und äußerst ermutigend.
Insgesamt zeigten tumortragende Mäuse, denen das EGFR-gerichtete MAPS injiziert wurde, eine Sensitivität von 100 % und eine Spezifität von 87 % für den Nachweis von Lymphknoten-Mikrometastasen von nur 50 Mikrometern, was etwa 30 metastatischen Zellen entspricht. Der Nachweis einer so geringen Anzahl von Zellen im Lymphknoten bietet ein System, das in der Lage ist, Metastasen sehr früh im Prozess zu erkennen, was eine frühzeitige Behandlung ermöglichen würde.
"Diese Kombination verbessert die Sensitivität und Spezifität der Erkennung von Krebszellen in Lymphknoten im Vergleich zu anderen heute verwendeten Bildgebungsverfahren erheblich", sagt Dr. Konstantin Sokolov von der University of Texas MD Anderson Cancer Zentrum und einer der leitenden Autoren. „Unsere Methode hat ein großes Potenzial, das klinische Staging, die Prognose und die Therapieplanung für Krebspatienten mit metastasierter Erkrankung dramatisch zu verbessern, ohne dass eine invasive chirurgische Biopsie erforderlich ist“, fügt Stanislav Emelianov, ein weiterer leitender Autor, hinzu.
Obwohl dies frühe Studien an Mäusen sind, sind die Forscher begeistert von der Übersetzung der Technologie für den Einsatz beim Menschen sowie der Ausweitung des Einsatzes des Systems. Zusätzlich zum Potenzial, Krebsmetastasen zu identifizieren, eröffnet die Fähigkeit des Systems, sehr kleine Zellcluster mit hoher Empfindlichkeit und Spezifität nicht-invasiv abzubilden, die Möglichkeit, das System zur frühzeitigen Identifizierung abnormaler Zellen bei einer Reihe von Krebsarten zu verwenden sowie andere Bedingungen, wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen.
Die Autoren gehen davon aus, dass dieses System nach einigen Änderungen am System, um es beim Menschen funktionsfähig und sicher zu machen, in die Klinik überführt werden kann. Zu den notwendigen Änderungen gehört die Identifizierung von Ultraschallfrequenzen, die in Tiefen vordringen können, die beim Menschen benötigt würden. Darüber hinaus muss die potenzielle Toxizität von Goldnanopartikeln angegangen werden, hauptsächlich durch Testen kleinerer Nanopartikel, die effizient aus dem System entfernt werden, aber immer noch groß genug sind, um ein angemessenes Bildgebungssignal zu liefern.
