Genomförbarheten av multispektral optoakustisk tomografi vid olika sjukdomar (FOMO)

Optoakustisk avbildning är en ny avbildningsmetod som är baserad på den optoakustiska effekten, som först beskrevs av Alexander Graham Bell 1880. När biologisk vävnad belyses med en ultrakort laserpuls absorberar vävnadskromoforer laserljus och bildar trycktransienta vågor som ett resultat av termoelastisk expansion. Dessa optoakustiska eller fotoakustiska vågor kan detekteras av bredbandiga ultraljudsgivare runt vävnaden. Optoakustisk avbildning är unik eftersom den löser optisk kontrast, men upplösningen följer reglerna för ultraljudsdiffraktion; spridningen av ultraljudssignalen i vävnad är mycket svagare än för optiska signaler. Därför är optoakustiska metoder okänsliga för fotonspridning i biologiska vävnader och ger därmed högre rumslig upplösning med hög känslighet för vävnadsljusabsorption. Dessutom får den penetrationsdjup upp till flera centimeter, vilket gör den lämplig för avbildning av djupare vävnader i kroppen. Optoakustisk avbildning har visat sig behandla kliniskt relevanta aspekter av olika sjukdomar, såsom flera vanliga cancerformer och inflammatorisk tarmsjukdom.

Flera avbildningsmetoder är baserade på optoakustisk avbildning. Men till skillnad från andra typer av optoakustisk avbildning involverar multispektral optoakustisk tomografi (MSOT) belysning av vävnad med flera våglängder. På grund av den högfrekventa pulsfrekvensen hos 9-lasern kan flera våglängder identifieras i en enda bild. Bilder kan bearbetas med hjälp av spektrala unmixing-algoritmer för att lösa olika vävnadskromoforer, såsom hemoglobin, deoxihemoglobin, melanin och fett, som alla har ett distinkt absorptionsspektrum eller "spektral signatur". Detta ger möjligheten att rekonstruera en bild genom att särskilja och kvantifiera bidraget från specifika absorbatorer inklusive endogena vävnadskromoforer.

Skillnader i fördelningen av endogena kromoforer mellan normal vävnad och sjuk vävnad har beskrivits utförligt i prekliniska och kliniska optoakustiska studier. Eftersom spridningen och den metastatiska spridningen i maligna tumörer är starkt beroende av angiogenes, är skillnader i hemoglobinkoncentration mellan normal vävnad och tumörvävnad ett välkänt patofysiologiskt fenomen Onormal vaskularisering som orsakar en lokal ökning av hemoglobinkoncentrationen ger stark optoakustisk kontrast, vilket gör optoakustisk avbildning lämplig för visualisering av angiogenes och tumörer. Detta fenomen kan användas för diagnos av en mängd olika maligna tumörer, men potentiellt också för att övervaka sjukdomsprogression efter behandling. Till exempel har relevanta skillnader mellan hemoglobinfördelning i benign och malign sköldkörtelvävnad observerats och visualisering av brösttumörer med hjälp av otoakustik har beskrivits.

För perifer artärsjukdom är hemoglobinfördelning och plackegenskaper mycket relevanta biologiska egenskaper vid karaktäriseringen av sjukdomen. Nuförtiden anses avbildningsmodaliteter som röntgen-CT vara guldstandarden, vilket ger en relevant strålbelastning för patienterna. Optoakustisk avbildning har potential att visualisera till exempel de perifera artärerna och halspulsådern, även i en 3D-miljö. Identifiering av specifika plackegenskaper som kollagen och lipider skulle vara ett nästa steg framåt i visualisering av plackbiologi och dess samband med plackruptur. Detta är ämnet för ett redan godkänt MSOT-protokoll där 5 patienter är inskrivna.

Eftersom MSOT upplever ett ökat intresse för kliniska undersökningar har det skett teknisk utveckling som möjliggör avbildningssystem lämpliga för klinisk användning. MSOT Acuity Echo (iThera Medical GmbH) som vi använder i UMCG är dedikerad för klinisk forskning och liknar klinisk ultraljudsteknik i form och hantering. Dessutom möjliggör den ytterligare användning av ultraljud (OPUS) så att den levererar anatomisk, funktionell och molekylär information samtidigt. MSOT Acuity Echo ger omedelbar feedback i form av livebilder.

Eftersom flera discipliner (kirurgi, radiologi, nuklearmedicin, oral och käkkirurgi, internmedicin) är intresserade av att använda enheten, siktar vi på att utforska möjligheterna med MSOT för olika indikationer. Vi antar att visualisering av vävnadskromoforer med MSOT kan leda till identifiering av molekylära förändringar associerade med sjukdom (-progression).