Come le truppe delle forze speciali che etichettano con il laser i bersagli di un pilota di bombardieri, minuscole particelle che possono essere visualizzate in tre modi diversi contemporaneamente hanno permesso agli scienziati della Stanford University School of Medicine di rimuovere i tumori cerebrali dai topi con una precisione senza precedenti.
In uno studio che sarà pubblicato online il 15 aprile in Medicina della natura , una squadra guidata da Sam Gambhir, dottore, dottorato di ricerca, professore e cattedra di radiologia, ha mostrato che le minuscole nanoparticelle ingegnerizzate nel suo laboratorio hanno individuato ed evidenziato tumori cerebrali, delineandone con precisione i confini e facilitando notevolmente la loro completa rimozione. La nuova tecnica potrebbe un giorno aiutare a migliorare la prognosi dei pazienti con tumori cerebrali mortali.
Circa 14, Ogni anno negli Stati Uniti viene diagnosticato un cancro al cervello a 000 persone. Di quei casi, circa 3, 000 sono glioblastomi, la forma più aggressiva di tumore al cervello. La prognosi per il glioblastoma è fosca:il tempo di sopravvivenza mediano senza trattamento è di tre mesi. La rimozione chirurgica di tali tumori - un imperativo virtuale quando possibile - prolunga la sopravvivenza del paziente tipico di meno di un anno. Una grande ragione per questo è che è quasi impossibile anche per il neurochirurgo più abile rimuovere l'intero tumore risparmiando il cervello normale.
"Con i tumori al cervello, i chirurghi non hanno il lusso di rimuovere grandi quantità di tessuto cerebrale normale circostante per essere sicuri che non rimangano cellule cancerose, " disse Gambhir, chi è la Virginia e D.K. Ludwig Professor for Clinical Investigation in Cancer Research e direttore del Molecular Imaging Program a Stanford. "Devi chiaramente lasciare intatto il più possibile il cervello sano".
Questo è un vero problema per i glioblastomi, che sono tumori particolarmente ruvidi. In questi tumori, minuscole proiezioni simili a dita si infiltrano comunemente nei tessuti sani, seguendo i percorsi dei vasi sanguigni e dei tratti nervosi. Un'ulteriore sfida è rappresentata dalle micrometastasi:minuscole chiazze tumorali causate dalla migrazione e dalla replicazione delle cellule dal tumore primario. Le micrometastasi che punteggiano i tessuti vicini altrimenti sani ma invisibili all'occhio nudo del chirurgo possono germogliare in nuovi tumori.
Sebbene oggi la chirurgia cerebrale tenda ad essere guidata dall'occhio nudo del chirurgo, nuovi metodi di imaging molecolare potrebbero cambiarlo, e questo studio dimostra il potenziale dell'utilizzo di nanoparticelle ad alta tecnologia per evidenziare il tessuto tumorale prima e durante la chirurgia cerebrale.
Le nanoparticelle utilizzate nello studio sono essenzialmente minuscole palline d'oro rivestite con reagenti di imaging. Ogni nanoparticella misura meno di cinque milionesimi di pollice di diametro, circa un sessantesimo di un globulo rosso umano.
"Abbiamo ipotizzato che queste particelle, iniettato per via endovenosa, preferirebbero i tumori ma non il tessuto cerebrale sano, " disse Gambhir, che è anche membro dello Stanford Cancer Institute. "I minuscoli vasi sanguigni che alimentano un tumore al cervello perdono, quindi speravamo che le sfere sanguinassero fuori da questi vasi e si depositassero nel vicino materiale tumorale." I nuclei d'oro delle particelle, valorizzati come sono da rivestimenti specializzati, renderebbe quindi le particelle simultaneamente visibili a tre distinti metodi di imaging, ciascuno contribuisce in modo univoco a un migliore risultato chirurgico.
Uno di quei metodi, risonanza magnetica, è già frequentemente utilizzato per dare ai chirurghi un'idea di dove risiede il tumore nel cervello prima di operare. La risonanza magnetica è ben attrezzata per determinare i confini di un tumore, ma se usato prima dell'intervento non può descrivere perfettamente la posizione di un tumore in crescita aggressiva all'interno di un cervello sottilmente dinamico nel momento in cui l'operazione stessa ha luogo.
Le nanoparticelle del team di Gambhir sono rivestite di gadolinio, un mezzo di contrasto per risonanza magnetica, in un modo che li mantiene stabilmente attaccati alle sfere relativamente inerti in un ambiente simile al sangue. (In uno studio del 2011 pubblicato su Science Translational Medicine, Gambhir e i suoi colleghi hanno mostrato in piccoli modelli animali che le nanoparticelle simili a quelle utilizzate in questo nuovo studio, ma non contenente gadolinio, erano atossici.)
Un secondo, metodo più recente è l'imaging fotoacustico, in cui gli impulsi di luce vengono assorbiti da materiali come i nuclei d'oro delle nanoparticelle. Le particelle si riscaldano leggermente, producendo segnali ecografici rilevabili da cui è possibile calcolare un'immagine tridimensionale del tumore. Poiché questa modalità di imaging ha una penetrazione ad alta profondità ed è altamente sensibile alla presenza delle particelle d'oro, può essere utile per guidare la rimozione della massa di un tumore durante l'intervento chirurgico.
Il terzo metodo, chiamato imaging Raman, sfrutta la capacità di alcuni materiali (inclusi in uno strato che ricopre le sfere d'oro) di emettere quantità di luce quasi impercettibili in uno schema caratteristico costituito da diverse lunghezze d'onda distinte. Le superfici dei nuclei d'oro amplificano i deboli segnali Raman in modo che possano essere catturati da uno speciale microscopio.
Per dimostrare l'utilità del loro approccio, i ricercatori hanno prima dimostrato con vari metodi che le nanoparticelle del laboratorio miravano specificamente al tessuto tumorale, e solo tessuto tumorale.
Prossimo, hanno impiantato diversi tipi di cellule di glioblastoma umano in profondità nel cervello dei topi di laboratorio. Dopo aver iniettato le nanoparticelle che migliorano l'imaging nelle vene della coda dei topi, sono stati in grado di visualizzare, con tutte e tre le modalità di imaging, i tumori che le cellule di glioblastoma avevano generato.
Le scansioni MRI hanno fornito buone immagini preoperatorie delle forme e delle posizioni generali dei tumori. E durante l'operazione stessa, immagini fotoacustiche consentite accurate, visualizzazione in tempo reale dei bordi dei tumori, migliorare la precisione chirurgica.
Ma né la risonanza magnetica né l'imaging fotoacustico da soli possono distinguere il tessuto sano da quello canceroso a un livello sufficientemente minuto da identificare fino all'ultimo pezzo di un tumore. Qui, il terzo metodo, immagini Raman, rivelato cruciale. Nello studio, Segnali Raman emanati solo da nanoparticelle nascoste nel tumore, mai da tessuto sano privo di nanoparticelle. Così, dopo che la maggior parte del tumore di un animale era stata eliminata, la tecnica di imaging Raman altamente sensibile era estremamente accurata nel segnalare micrometastasi residue e piccole proiezioni tumorali simili a dita ancora rintanate nel tessuto normale adiacente che erano state perse all'ispezione visiva. Questo, a sua volta, consentito la rimozione di questi pericolosi resti.
"Ora possiamo conoscere l'estensione del tumore prima di entrare in sala operatoria, essere guidato con precisione molecolare durante la procedura di escissione stessa e subito dopo essere in grado di "vedere" materiale tumorale residuo una volta invisibile ed eliminarlo, pure, " disse Gambhir, che ha suggerito che la propensione delle nanoparticelle a riscaldarsi sulla stimolazione fotoacustica, combinato con la loro specificità tumorale, potrebbe anche consentire di utilizzarli per distruggere selettivamente i tumori. Ha anche espresso ottimismo sul fatto che questo tipo di precisione potrebbe eventualmente essere applicato ad altri tipi di tumore.
