Endoscopia: nuovo sistema di imaging rigido a infrarossi
La diagnosi precoce di tumori solidi è di fondamentale importanza per il successo del trattamento delle varie tipologie di cancro. Si può ottenere una prognosi favorevole quando le lesioni displastiche localizzate si rimuovono chirurgicamente al primo insorgere della malattia. Infatti, per i pazienti con questa tipologia di cancro, la chirurgia effettuata durante l’endoscopia è una delle opzioni principali di trattamento. Tuttavia, è presente un alto rischio di recidiva del cancro nel caso in cui sopravviva un piccolo numero di cellule cancerose dopo la pulizia chirurgica.
Endoscopia e chirurgia guidata da fluorescenza
Per evitare la possibilità di recidiva dovuta ad una rimozione non totale delle cellule cancerose, i ricercatori hanno sviluppato la chirurgia guidata da fluorescenza (FGS). Nella FGS, ai pazienti si inietta una sostanza fluorescente che si lega preferenzialmente alle cellule tumorali. Questa tecnica consente ai chirurghi di identificare facilmente le lesioni con l’aiuto di endoscopi specializzati che emettono della luce con lunghezze d’onda specifiche.
Possibili problematiche dei trattamenti attuali
Sfortunatamente, i tumori possono essere altamente eterogenei ed una singola sostanza fluorescente può rilevarsi non sufficiente per la visione di tutte le cellule cancerose. Pertanto, una delle frontiere della chirurgia guidata da fluorescenza è l’utilizzo di cocktail di più sostanze fluorescenti. Nonostante alcuni progressi in questa direzione, gli endoscopi clinicamente approvati sono tutti ottimizzati per rilevare un solo tracciante. Inoltre, gli strumenti multi-tracer attualmente in fase di sviluppo sono ingombranti perché richiedono più sensori di imaging e diversi componenti ottici.
Idea di partenza del nuovo studio
La chirurgia guidata da fluorescenza sta migliorando ogni anno portando a buoni risultati per i pazienti e una maggiore possibilità di sopravvivenza alla malattia. La problematica principale però rimane la variabilità dei biomarcatori che ostacola la rimozione completa del tumore con singole sostanze. Per superare questa problematica, un team di ricercatori ha sviluppato un sistema endoscopico che sfrutta l’infrarosso per visualizzare in modo più mirato il tumore. Inoltre, questo riesce a quantificare i rapporti volumetrici nei modelli di cancro ed a rilevare i tumori in campioni ex vivo.
Endoscopia ed il nuovo sistema di imaging rigido
Il nuovo sistema di imaging endoscopico presenta un design che potrebbe accelerare notevolmente l’adozione della chirurgia guidata da fluorescenza multi-tracer. Si compone di un innovativo sensore di imaging BIS che i ricercatori hanno modellato sulla base del sistema visivo del gambero mantide. Il sensore è costituito da 3 strati di fotorivelatori impilati verticalmente coperti da una disposizione a scacchiera di 2 diversi filtri: uno filtra la luce visibile e l’altro filtra la luce nel vicino infrarosso (NIR).
Prototipo ottenuto durante la ricerca
Si è creata una telecamera single-chip in grado di catturare efficacemente la luce su 6 diversi canali spettrali; questo la rende in grado di rilevare anche le differenze più sottili nell’emissione di fluorescenza dal tessuto che viene ripreso. Per mettere le sue prestazioni in prospettiva, questo innovativo sensore BIS può differenziare i traccianti fluorescenti con picchi di emissione a soli 20 nanometri di distanza. Una tale impresa non è possibile con gli attuali strumenti di imaging clinicamente approvati.
Dettagli in merito alla luce per fluorescenza
Per essere in grado di utilizzare efficacemente il nuovo sensore BIS si è progettata una fonte di luce appropriata per attivare i traccianti fluorescenti. Si sono utilizzate delle fibre ottiche biforcate personalizzate, queste sono collegate a 3 sorgenti luminose indipendenti: un LED bianco e due laser NIR a 665 e 785 nm. I ricercatori hanno accoppiato l’uscita combinata delle fibre all’inizio dell’endoscopio rigido. In questo modo, utilizzando un sensore di imaging e un ingresso luminoso si è reso il dispositivo meno ingombrante di altri sistemi di imaging multi-tracer già progettati in precedenza.
Test di caratterizzazione e benchmarking per il nuovo sistema di endoscopia
I ricercatori hanno condotto test di caratterizzazione e benchmarking per determinare la risoluzione spaziale e la sensibilità del dispositivo. Inoltre, si sono eseguiti degli esperimenti in vivo su un modello murino per il cancro al seno. Ai topi si è iniettato un tracciante da 680 nm, un tracciante da 800 nm o una miscela uguale dei due. Il sistema proposto ha la capacità di distingue le tre tipologie di fluorescenze prodotte dai singoli traccianti o dalla miscela dei due. L’obiettivo di tale sperimentazione è quello di dimostrare il potenziale clinico del nuovo endoscopio rigido. Per far ciò si sono utilizzati dei noduli di cancro al polmone appena rimossi dai pazienti, il dispositivo proposto si è rilevato in grado di distinguere con precisione i noduli maligni dal tessuto sano.
Conclusioni e prospettive future
Questo nuova creazione si presenta come una tra le principali innovazioni ingegneristiche per il sistema di endoscopia a single-chip, che può catturare e distinguere numerosi traccianti mirati al tumore. Nel complesso, i ricercatori hanno raggiunto importanti traguardi che apriranno la strada all’adozione della chirurgia guidata da fluorescenza multi-tracer. Grazie alla sua maggiore risoluzione spaziale e alla sua notevole capacità di rilevare piccole variazioni nell’emissione di fluorescenza, il sistema di imaging endoscopico proposto aiuterà i medici a rilevare più facilmente tumori più piccoli o nascosti. Con un po’ di fortuna, questo migliorerà la sopravvivenza a lungo termine dei pazienti con cancro operabile.