Jakie możliwości daje obrazowanie fotoakustyczne w badaniach przedklinicznych nowotworów?

Obrazowanie fotoakustyczne (PA) to nowoczesna technika, która łączy zalety ultradźwięków i optyki, oferując wyjątkową zdolność do wizualizacji struktur naczyniowych w tkankach o dużej głębokości. Dzięki tej metodzie możliwe jest uzyskanie obrazów o wysokiej rozdzielczości, co czyni ją potężnym narzędziem w badaniach nad nowotworami, zwłaszcza w kontekście oceny mikrośrodowiska guzów. Jednym z głównych zastosowań PA jest analiza układu naczyniowego guza, co pozwala na monitorowanie zmian w jego strukturze i funkcji w odpowiedzi na różne terapie.

W systemach PA wykorzystuje się różne źródła promieniowania, w tym diody LED, które emitują światło w zakresie bliskiej podczerwieni. Pomimo że energia wyjściowa tych źródeł jest stosunkowo niska, badania wykazały, że wciąż możliwe jest uzyskanie obrazów struktur naczyniowych w organizmach ludzkich i zwierzęcych. Na przykład badania Xavierselvana et al. z wykorzystaniem systemu Acoustic X pozwoliły na uzyskanie 3D obrazów in vivo guzów w modelach myszy z przeszczepami skórnymi, wykazując dobrą korelację z obrazami fluorescencyjnymi naczyniami guza.

Jednak, aby poprawić jakość obrazów, niezbędne stało się wprowadzenie dodatkowych technik, takich jak wykorzystanie reaktywnych form tlenu i azotu z cząsteczką CyBA. Ta strategia pozwoliła na 3,2-krotne zwiększenie intensywności sygnału fotoakustycznego. Innym podejściem jest zastosowanie metod uczenia maszynowego, które poprawiają stosunek sygnału do szumu (SNR) oraz kontrast do szumu (CNR), umożliwiając uzyskanie obrazów w czasie rzeczywistym bez potrzeby wielokrotnego uśredniania obrazów.

Kolejnym systemem wykorzystywanym w badaniach przedklinicznych jest raster-scan optoacoustic mesoscopy (RSOM), który oferuje wyższą rozdzielczość, pozwalając na ocenę gęstości naczyniowej, średnicy naczyń, ich skręconych kształtów oraz gałęzi, co zostało ostatnio zaprezentowane w badaniach modeli raka piersi. W tym systemie używa się lasera pulsacyjnego o długości fali 532 nm oraz transduktora o częstotliwości 50 MHz, co pozwala na uzyskanie obrazu o rozdzielczości 20 μm. Dzięki takim właściwościom możliwe jest dokładniejsze śledzenie zmieniającej się struktury naczyń w guzie, co jest istotnym elementem w ocenie skuteczności terapii.

Przykłady badań, takie jak prace Baika et al., który opracował system AR-PAM do obrazowania całych ciał zwierząt in vivo, czy Imai et al., który monitorował rozwój hipoksycznych i słabo unaczynionych obszarów, pokazują, jak wszechstronne może być zastosowanie tej technologii. Z kolei zastosowanie algorytmów sztucznej inteligencji, takich jak te opracowane przez Kima et al., pozwala na uzyskiwanie obrazów w czasie rzeczywistym przy użyciu systemu OR-PAM.

Fotoakustyczne obrazowanie mikroskalowe znajduje także zastosowanie w analizie procesów angiogenezy nowotworowej, jak to miało miejsce w przypadku badań Lin et al., którzy użyli tego narzędzia do monitorowania rozwoju nowotworów rakowych u myszy. Ich system OR-PAM, oparty na 75 MHz transduktorze i 532 nm laserze, pozwolił na obserwację tworzenia się nowych naczyń w obrębie guza.

Ważnym osiągnięciem w rozwoju PA jest wprowadzenie technik spektroskopowych, które umożliwiają równoczesną ocenę różnych chromoforów, takich jak lipidy czy kolagen, w kontekście unaczynienia guza. Dzięki temu można uzyskać bardziej złożone informacje o mikrośrodowisku guza, w tym o zmianach w morfologii nowotworu i heterogeniczności naczyń krwionośnych.

Z kolei zastosowanie kontrastowych środków, takich jak nanopartkuły czy biokonjugaty, otwiera nowe możliwości w badaniach molekularnych i funkcjonalnych, umożliwiając dokładniejsze obrazowanie struktur komórkowych, a także interakcje cząsteczek w obrębie guza.

Jakie są zalety wykorzystania wzmacniania kontrastu w obrazowaniu naczyniowym z wykorzystaniem technologii fotoakustycznej?

Obrazowanie z wykorzystaniem diod LED w połączeniu z barwnikami o silnym pochłanianiu światła w zakresie NIR, takich jak barwnik naphthalocyjaninowy (NC), umożliwia precyzyjne śledzenie dystrybucji kontrastowego materiału w obrębie guza. Obrazowanie przed i po wstrzyknięciu barwnika NC do guza wykazało silniejszy sygnał w górnej części nowotworu, co sugeruje większą ilość energii świetlnej docierającej do tych miejsc. Wzmacnianie kontrastu w systemach LED-PA może zatem skutecznie wspierać diagnostykę obrazową, umożliwiając uzyskanie dokładniejszych informacji o stanie naczyń krwionośnych w głębszych warstwach tkanek.

W innych badaniach zastosowanie systemów LED-PA do monitorowania angiogenezy w regeneracyjnej medycynie wykazało ogromny potencjał w badaniach nad implantami i ich integracją z naczyniami krwionośnymi gospodarza. W 2019 roku Zhu i współpracownicy zastosowali system LED-PA w połączeniu z US (ultrasonografią) do obrazowania angiogenezy w wszczepach fibrynowych u myszy. Obserwowano zmiany w gęstości naczyń krwionośnych w obrębie wszczepu w różnych dniach po implantacji, a wyniki uzyskane za pomocą systemu LED-PA były zgodne z wynikami uzyskanymi na drodze histologii. Obrazowanie LED-PA okazało się bardziej wrażliwe na monitorowanie głębokiej neowaskularyzacji w porównaniu do tradycyjnych metod, takich jak analiza kontrastu w obrazie plamki laserowej (LASCA), której głównym ograniczeniem jest mniejsza czułość na głęboko umiejscowione naczynia.

Innym zastosowaniem systemów fotoakustycznych jest monitorowanie uszkodzeń tkanek, takich jak owrzodzenia odleżynowe. Hariri i współpracownicy wykorzystali obrazowanie LED-PA do wykrywania wczesnych uszkodzeń tkanek, które mogą nie być widoczne gołym okiem. W modelu myszy z implantami podskórnymi, które były cyklicznie uciskane przez zewnętrzne magnesy, obrazowanie PA pozwoliło na detekcję zmian w obrębie skóry jeszcze przed pojawieniem się wyraźnych owrzodzeń. Obrazowanie LED-PA wykazało 2,5-krotny wzrost sygnału w obszarze dotkniętym zmianami, a także umożliwiło monitorowanie procesu leczenia tych zmian. Technika ta, chociaż nie w pełni zastosowana w klinice, już teraz wykazuje obiecujące wyniki w diagnostyce chorób skóry, w tym wczesnych stadiów odleżyn.

Technologie LED-PA zyskują na znaczeniu w obrazowaniu naczyniowym, oferując nowe możliwości w diagnostyce i monitorowaniu różnych procesów biologicznych. Dzięki zastosowaniu kontrastowych substancji, takich jak barwniki NC, oraz połączeniu z innymi metodami, takimi jak ultrasonografia, LED-PA staje się narzędziem o szerokim zastosowaniu w medycynie regeneracyjnej, onkologii, oraz diagnostyce chorób zapalnych i stanów patologicznych tkanek.