Hur kan fotoakustisk avbildning användas för att förutsäga tumörrespons vid behandling?

Forskning kring behandlingsrespons och tumörvävnadens hemodynamiska förändringar under terapi har utvecklats snabbt, särskilt med användningen av fotoakustisk avbildning. Det är en kraftfull teknik som erbjuder djupgående insikter i tumörens mikromiljö och vävnadens funktionella status, vilket gör det möjligt att övervaka behandlingseffekter i realtid. Denna metod gör det möjligt att få detaljerad information om tumörens blodförsörjning, syrestatus och vasculära förändringar före, under och efter behandlingsinterventioner.

Bilder som tas med denna teknik kan också visa på förändringar som inte är uppenbara med andra metoder. Till exempel, i ett fall med en musmodell där PDT användes, observerades att trots att tumören såg ut att vara helt nekrotisk efter behandlingen, indikerade fotoakustiska mätningar att vissa områden i tumören fortfarande var obehandlade. Efter tre veckor kunde återväxt av tumören observeras just i dessa områden, vilket visar på vikten av noggrant att övervaka varje del av tumören för att kunna justera behandlingen om nödvändigt. Detta kan vara en nyckelkomponent i att förutsäga långsiktiga resultat och möjliggöra en mer individualiserad terapi.

Användningen av fotoakustisk avbildning för att följa effekterna av cellterapier, som T-cellsterapi, har också blivit en lovande metod för att förstå behandlingens effektivitet. I en nyligen genomförd studie som kombinerade makroskopiska och mesoskala fotoakustiska bilder för att övervaka EG7-tumörer under T-cellsterapi, observerades regress av tumörens blodkärl, vilket indikerade effektivitet av behandlingen. Denna typ av monitorering är avgörande för att anpassa behandlingsregimer och förbättra den kliniska resultatet för cancerpatienter.

Förutom att övervaka blodkärl och syresättning är fotoakustisk avbildning också användbar för att studera andra faktorer som påverkar tumörutveckling, såsom lipidförändringar. Lipider är viktiga för energilagring och struktur i cellmembran, men en ökad ansamling av lipider i tumörområdet kan bidra till cancerprogression. Fotoakustisk avbildning har visat sig vara effektiv för att upptäcka dessa förändringar i lipidmetabolism, vilket kan öppna nya vägar för att förstå tumörens mikromiljö och utveckla mer effektiva behandlingar.

Det är också värt att notera att teknologin bakom fotoakustisk avbildning fortfarande är under utveckling och förfining. För att verkligen kunna förutsäga och förstå tumörens respons på olika behandlingar måste forskare och kliniker samordna flera bildteknologier och dataanalyssystem. Integrering av fotoakustiska avbildningsdata med andra biomarkörer och kliniska parametrar kommer att vara avgörande för att förbättra precisionen i prognoser och terapirekommendationer.

Hur PACT-teknologi kan förbättra avbildning av funktionella och strukturella förändringar i vävnader och blodkärl

De förvärvade bilderna från fotoakustisk tomografi (PA) jämfördes med histologiska bilder för att säkerställa att PA-bilderna stämde överens med den avbildade anatomiska strukturen. Det optiska kontrastförhållandet mellan vävnad och blodkärl var 2,3 respektive 7,9, vilket indikerar en hög förmåga att visualisera och särskilja dessa strukturer. För att testa systemets förmåga att avbilda anatomiska abnormiteter, genomfördes experiment på hjärnskador, där ytliga kortikala lesioner framkallades genom att sticka den högra hjärnbarken med en sprutnål. Kontrastförhållandet mellan lesionerna och den omgivande vävnaden varierade mellan 1,7 och 5,2.

PACT-teknologins kapabilitet för funktionell avbildning demonstrerades i ett experiment med stimulering av morrhåren. För att visa på förändringar i aktiveringsmönster subtraherades baslinjebilden från de PA-bilder som erhölls under stimuleringen av vänster eller höger morrhår. De vaskulära mönstren som observerades i de strukturella bilderna stämde bra överens med de funktionella signalerna, vilket innebär att PACT kan detektera förändringar i hemodynamik under aktivitet.

Lin et al. föreslog volymetrisk PACT-avbildning av råttors hjärta för att studera kardiovaskulär hemodynamik. Strukturell information, som aorta och kranskärl, visualiserades med hjälp av systemet. Ett litet intresseområde valdes för att studera hemodynamik hos råttor som var friska, överviktiga och de med hypertoni. Variationer i PA-signalen observerades under ventrikulär systole, och de relativa förändringarna i vänster ventrikels volym mättes också. Dessa variationer korrelerade med fettansamling i artärerna hos de sjuka råttorna.

Periyasamy et al. rapporterade realtidsövervakning av laserablation med hjälp av fotoakustisk avbildning. Bröstcancerceller, 4T1, injicerades subkutant i buken på möss. De utvecklade tumörerna ablerades med hjälp av en 100 mJ kortpulsad laser. PA-signalen som genererades under ablationen övervakades med hjälp av en sfärisk array-transduktor. PA-volymen som erhölls för varje puls möjliggjorde realtidsvisualisering av blodkärlens nedbrytning i tumören. Förändringen i PA-signalen stämde väl överens med förändringen i temperaturen från termoelementen som satts in i tumören.

Tang et al. visade användningen av kliniskt godkända mikroblåsor för att förbättra PACT-signaler kring hemoglobin, vilket hjälper till att hantera problemet med begränsad detektionsvinkel. Den föreslagna tekniken, som kallades virtuell punktkälla PACT, möjliggjorde högupplösta funktionella PACT-bilder. Mikroblåsorna, som var fyllda med perfluorkarbon och hade en genomsnittlig diameter på cirka 4 μm, användes för att förbättra PACT-signalerna, vilket resulterade i tydligare bilder av blodkärl som annars skulle vara osynliga.

En annan användning av PACT var för att studera förändringar i venösa sinus vid intrakraniell hypotension (IH). Denna metod involverade att dra ut cerebrospinalvätska (CSF) från cisterna magna hos råttor, vilket ger enkel åtkomst till subarachnoidalrummet. Förändringar i sagittal sinus och tvärsinus observerades med hjälp av PA-bilder och visade en ökning av area och bredd på sinuserna efter vätskeborttagning, vilket är en diagnostisk indikator för IH.

Li et al. använde PACT för att studera ischemisk stroke hos möss, en tillstånd där ett blodkärl i hjärnan blockeras. Stroke-induceringen gjordes genom att blockera den mellersta cerebrala artären (MCA) med en sutur, vilket hindrade blodflödet till hjärnan. PA-signalerna visade en skillnad i blodflödets intensitet mellan den opererade och icke-opererade sidan av hjärnan, vilket indikerade skador på vävnaden.

PACT-systemen kan användas för helkroppsbildtagning av små djur och kan tillämpas på många olika områden. Medan människobildtagning är det slutliga målet, spelar prekliniska tillämpningar en avgörande roll för framtida klinisk översättning.

Det är också viktigt att förstå att fotoakustiska system, även om de har visat lovande resultat i både djurförsök och kliniska tillämpningar, fortfarande utvecklas och har vissa begränsningar. De kan till exempel vara beroende av vissa förberedelser av vävnader och det är fortfarande en utmaning att hantera bildkvalitet vid större djur eller mänskliga tillämpningar. Framstegen inom denna teknik är dock lovande och öppnar dörrar för mer exakt och detaljerad diagnostik och behandling i framtiden.

Hur reversibla växlande PA-kontrastämnen förändrar bildteknik inom biomedicin

Inom den senaste utvecklingen av fotoakustisk avbildning (PAI), en hybridoptisk och akustisk bildteknik, har forskare lagt fokus på att övervinna begränsningar för bilddjup och bakgrundsbrus som traditionella optiska tekniker lider av. En av de mest intressanta innovationerna är användningen av reversibelt växlande PA-kontrastämnen, som gör det möjligt att styra det optiska kontrastljuset genom att slå på och av kontrasten under bildtagning. Denna nya metod, där fotokemiska och termokromiska ämnen används som PA-kontrastmedel, öppnar upp för mer precisa och djupgående biologiska avbildningar.

Under experiment har dessa ämnen visat sig vara mycket användbara när de används i levande djurmodeller. Till exempel, i ett experiment där en tumörliknande substans blandad med ReST-ämnet implanterades under huden på möss, blev det möjligt att visualisera tumören genom fotoakustiska bilder med hög kontrast. Genom att styra temperaturen på vattnet kring området kunde forskarna se en 25%-ig minskning i PA-signalens intensitet mellan olika temperaturer, vilket gav en tydlig skillnad mellan det implanteerade området och den omgivande vävnaden.

För att ytterligare förbättra användningen av dessa ämnen har man sett till att de är vattenlösliga och biokompatibla. Mikrokapsling av dessa ämnen med hydrofila polysackarider, som alginat, förbättrar både deras lösningsförmåga och biologiska kompatibilitet, vilket är avgörande för deras användning i levande organismer. Detta gör det möjligt att introducera de växlande PA-kontrastämnena utan att behöva injicera dem direkt i kroppen, vilket skiljer sig från traditionella kontrastmedel.

En annan viktig utveckling är integrationen av olika typer av fotoakromatiska ämnen, som fotochrome, som kan aktiveras via ultraviolett ljus och sedan växla till nära-infraröd (NIR) belysning. Detta är särskilt användbart för att nå djupare vävnader där konventionella optiska tekniker inte kan nå. Genom att använda NIR-ljus för att växla mellan olika kontrastnivåer kan forskarna få tillgång till mer detaljerade bilder på större djup i levande vävnader.

Den största fördelen med denna teknik är att den minskar beroendet av bakgrundsstörningar från kroppens egna kromoforer, vilket gör det möjligt att fokusera mer på de exogena kontrastämnena, som de växlande PA-kontrastämnena, och förbättra bildkvaliteten. För att uppnå denna målsättning har flera typer av fotokromatiska och termokromatiska föreningar omformulerats för att göra dem mer lämpliga för in vivo-användning, vilket ytterligare ökar möjligheterna att upptäcka biologiska mekanismer på cellulär nivå.

Det är också värt att notera att dessa avancerade PA-kontrastämnen kan appliceras på en mängd olika biologiska system, från bakterier och tumörceller till hela organismer som möss. Detta innebär att det inte längre är nödvändigt att injicera kontrastmedel direkt i vävnaderna, vilket kan minska risken för oönskade biverkningar och samtidigt öppna dörren för en rad nya biomedicinska tillämpningar.

För att förstå potentialen hos dessa reversibelt växlande PA-kontrastämnen är det också viktigt att ta hänsyn till de tekniska utmaningarna som kan uppstå vid användning av dessa ämnen. Trots de lovande resultaten finns det fortfarande hinder att övervinna, som exempelvis behovet av att ytterligare förbättra stabiliteten hos dessa ämnen vid olika temperaturer och ljusförhållanden. Dessutom är det viktigt att fortsätta utveckla metoder för att optimera bildhastighet och kontrastkänslighet för att möjliggöra ännu mer detaljerade och dynamiska in vivo-avbildningar.