Imitando l'intricato sistema visivo di una farfalla, i ricercatori hanno creato una fotocamera che fornisce ai chirurghi sia un'immagine a colori tradizionale sia un'immagine nel vicino infrarosso che rende visibili le cellule cancerose marcate con fluorescenza anche sotto una forte illuminazione chirurgica. La nuova fotocamera è progettata per aiutare i chirurghi a rimuovere tutte le cellule cancerose senza danneggiare i tessuti sani, rendendo meno probabile la diffusione del cancro e riducendo la necessità di più interventi chirurgici.

"Invece di mettere insieme ottiche e sensori disponibili in commercio per costruire una telecamera per la chirurgia guidata dalle immagini, abbiamo preso ispirazione dai sistemi visivi della natura, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Viktor Gruev dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign. "La farfalla morfo, i cui occhi contengono nanostrutture che percepiscono informazioni multispettrali, è in grado di acquisire contemporaneamente informazioni sul vicino infrarosso e sul colore."

In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori dimostrano che la loro fotocamera bioispirata può rilevare i tumori negli animali ed è utile per valutare lo stadio del cancro al seno nelle persone. La nuova telecamera offre un rilevamento della fluorescenza molto sensibile anche con l'illuminazione standard della sala operatoria, pesa meno di una batteria AA, e può essere prodotto per circa $ 20.

"Durante l'intervento, è imperativo che tutto il tessuto canceroso venga rimosso, e abbiamo creato una piattaforma di imaging che potrebbe aiutare i chirurghi a farlo in qualsiasi ospedale del mondo perché è piccolo, compatto ed economico, " ha detto Gruev. "Anche se abbiamo affrontato il lato della strumentazione, sono necessari marcatori fluorescenti mirati per il cancro e approvati per l'uso nelle persone affinché la nostra tecnologia trovi un'applicazione diffusa. Molti di questi sono in fase di sperimentazione clinica ora, quindi dovremmo vedere presto progressi in questo settore".

Imparare dalla natura

La nuova fotocamera migliora notevolmente le fotocamere odierne approvate dalla Food and Drug Administration (FDA) statunitense per la visualizzazione di marcatori fluorescenti durante l'intervento chirurgico. Molte fotocamere nel vicino infrarosso esistenti non hanno la sensibilità per rilevare i marcatori di fluorescenza in ambienti chirurgici, quindi le luci della stanza devono essere attenuate per visualizzare la fluorescenza.

Un altro problema con le odierne termocamere a infrarossi è che l'immagine a fluorescenza non è sempre allineata con precisione, o coregistrati, con il tessuto da cui deriva. Ciò accade perché gli strumenti approvati dalla FDA utilizzano più elementi ottici, come divisori di fascio e lenti a relè, per separare le lunghezze d'onda visibili e infrarosse, in modo che ciascuno possa essere inviato a rilevatori separati. Lievi variazioni di temperatura nella stanza possono influenzare l'ottica di questi strumenti causando disallineamenti dell'immagine che potrebbero far perdere al chirurgo il tessuto canceroso rimuovendo inutilmente il problema sano.

"Ci siamo resi conto che i problemi delle odierne termocamere a infrarossi potevano essere mitigati utilizzando nanostrutture simili a quelle della farfalla morfo, " disse Missael Garcia, un ricercatore post-dottorato presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign e autore principale dell'articolo. "I loro occhi composti contengono fotorecettori situati uno accanto all'altro in modo tale che ogni fotorecettore percepisca diverse lunghezze d'onda della luce in un modo che è intrinsecamente co-registrato".

La nuova fotocamera utilizza una configurazione simile all'occhio a farfalla intrecciando varie strutture su nanoscala con una serie di fotorivelatori, consentendo la raccolta di informazioni sul colore e sulla fluorescenza nel vicino infrarosso su un dispositivo di imaging. L'integrazione del rilevatore e dell'ottica di imaging in un singolo sensore monolitico mantiene il dispositivo piccolo, economico e insensibile alle variazioni di temperatura.

Il design risolve in modo univoco il problema della sensibilità consentendo a ciascun pixel di assorbire il numero di fotoni necessari per creare un'immagine. Non ci vuole molto per creare l'immagine della lunghezza d'onda visiva per visualizzare l'anatomia poiché l'illuminazione visibile in laboratorio è elevata. D'altra parte, perché la fluorescenza è tipicamente debole, ci vuole più tempo per raccogliere un numero sufficiente di fotoni per costruire un'immagine sufficientemente luminosa. Modificando il tempo di esposizione per consentire a ciascun pixel di rilevare i fotoni di cui ha bisogno, è possibile creare un'immagine a fluorescenza brillante senza sovraesporre l'immagine a colori del tessuto.

Test preclinici e clinici

I ricercatori hanno testato il loro nuovo strumento su un modello murino che sviluppa il cancro al seno spontaneo. Ciò significa che la posizione esatta in cui crescerà il cancro è sconosciuta così come il numero di cellule tumorali. Utilizzando etichette fluorescenti che si legano alle cellule tumorali, i ricercatori hanno dimostrato che il loro imager bioispirato ha consentito il rilevamento del tumore con un'accuratezza e una sensibilità che superano le moderne termocamere a infrarossi approvate dalla FDA per la chirurgia guidata dalle immagini.

I ricercatori hanno anche testato la capacità della loro telecamera a infrarossi di identificare i linfonodi in 11 pazienti con cancro al seno presso la Washington University School of Medicine di St. Louis. Poiché i linfonodi sono uno dei luoghi principali in cui si diffonde il cancro al seno, i chirurghi li controllano per determinare lo stadio del cancro. Ai pazienti è stato iniettato un colorante fluorescente verde indocianina approvato dalla FDA che si accumula passivamente nei linfonodi e quindi le immagini di fluorescenza dall'imager bioispirato sono state visualizzate su uno schermo o proiettate su occhiali indossati dai chirurghi.

"Abbiamo dimostrato che sotto luci chirurgiche luminose, il nostro strumento era 1000 volte più sensibile alla fluorescenza rispetto agli imager attualmente approvati per la chirurgia guidata da immagini a infrarossi, " ha detto Gruev. "Poiché l'imager bioispirato può rivelare la fluorescenza che è profonda nel tessuto, ha accelerato il processo di identificazione dei linfonodi e ha aiutato i chirurghi a trovare linfonodi che non potevano essere visti solo con la vista".

Secondo i ricercatori, l'imager bioispirato sarebbe utile per rimuovere vari tipi di cancro, compresi i melanomi, cancro alla prostata e tumori della testa e del collo. A causa delle sue piccole dimensioni potrebbe anche essere integrato in un endoscopio per cercare il cancro durante una colonscopia, Per esempio.

"Un grande vantaggio del nostro strumento è la sua dimensione compatta, " ha detto Garcia. "Abbiamo testato il nostro strumento in un ospedale dove lo spazio era ristretto e abbiamo visto che non si intrometteva nel flusso di lavoro chirurgico".

I ricercatori stanno ora formando una start-up per commercializzare il loro imager bioispirato e stanno anche lavorando con la FDA per progettare uno studio clinico in cui i chirurghi possano confrontare le decisioni cliniche prese con il nuovo imager con quelle che sarebbero prese con l'approvazione della FDA imager.