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Optische Komponenten von Edmund Optics® und Kameras von Allied Vision sind ideal für bildverarbeitungsgesteuerte Reinigungsroboter, die allerdings nicht von den beiden Unternehmen selbst gefertigt werden.

Fallstudie:
Wie Optik und Durchflusszytometrie die Behandlung von Bauchspeicheldrüsenkrebs verbessern

Forscher an der Universität Texas in Austin analysieren mit bildgebenden Systeme die chemischen und mechanischen Eigenschaften von Krebszellen, um so die beste Behandlungsmethode herauszufinden. Bedeutende Rolle der Optik bei modernen Krebsbehandlungen

Optik als Entscheidungsgrundlage für
Krebstherapieansätze

Die derzeitigen Behandlungspläne für Krebspatienten können eine Vielzahl von Therapien umfassen, dazu zählen Chemotherapie, Immuntherapie, Bestrahlung und operative Entfernung. Selbst in Kombination miteinander gibt es keine Garantie, dass diese Behandlungen den Körper von allen Krebszellen befreien können. Dies hängt mit der Heterogenität der Krebszellen zusammen, die zu unterschiedlichen Reaktionen auf die Therapie führt. Das Parekh-Labor an der University Texas in Austin befasst sich mit diesem Problem, indem es ein robustes optisches System entwickelt, mit dem sowohl die mechanischen als auch die chemischen Eigenschaften von Krebszellen untersucht werden können, um deren Verhalten vorherzusagen. Diese Vorhersagen könnten Ärzten Aufschluss über die besten Behandlungsmethoden und die Gesamtmetastasierung des Krebses eines Patienten geben. Diese bahnbrechende Technologie brachte den Forschern des Parekh-Labors 2020 den Edmund Optics® Educational Award in Silber ein.  

Mobile bildverarbeitungsgesteuerte Reinigungsroboter können Berichten zufolge Räume gründlicher desinfizieren als menschliche Reinigungskräfte.<sup>2.</sup>

Niedrige Überlebensraten bei Bauchspeicheldrüsenkrebs

Aggressive Krebsarten werden häufig mit einer Kombination von Therapeutika behandelt, was zwar dazu beitragen kann, die Heterogenität der Krebszellen abzudecken, den Körper aber oft nicht wirksam von ihnen befreit. Bauchspeicheldrüsenkrebs ist eine der invasivsten Krebsarten mit einer geschätzten Fünfjahresüberlebensrate von 10%.1 Ein wichtiger Faktor für die Bösartigkeit des Bauchspeicheldrüsenkrebses ist die Unfähigkeit der Ärzte, die Empfindlichkeit der Krebszellen für bestimmte Behandlungen genau vorherzusagen. Auch wenn Bauchspeicheldrüsenkrebs in der Regel aggressiv behandelt wird, ist es schwierig zu verstehen oder genau abzuschätzen, wie invasiv der Krebs sein kann. Ohne die Kenntnis dieser wichtigen Verhaltenseigenschaften von Zellen ist es schwierig, die Überlebensraten bei Bauchspeicheldrüsenkrebs oder ähnlich aggressiven Krebsarten zu verbessern.  

Durchflusszytometrie und Spektroskopie – neue Einblicke in das Verhalten von Zellen

Die Forscher des Parekh-Labors kennen die Schwierigkeiten, denen Kliniker bei der Krebsbehandlung gegenüberstehen. Sie entwickeln ein optisches System, das bildgebende Verfahren kombiniert, um Einblicke in das Verhalten von Krebszellen zu gewinnen. Das System ist ein mechanisch-chemisches Durchflusszytometer (MCFC), das die biomechanischen und biochemischen Eigenschaften von Krebszellen mittels Spektroskopie und Durchflusszytometrie analysiert. Die Technologie dient der Erkennung und Quantifizierung von Zellparametern, wie z.B. der Oberflächenkontur oder anderer heterogener Eigenschaften. Mit dieser Analyse können Ärzte Erkenntnisse über invasive Krebszellen gewinnen und bessere Behandlungspläne zur Bekämpfung aggressiven Verhaltens erstellen.  

Abbildung 1: Das oben abgebildete mechanisch-chemische Durchflusszytometer (MCFC) kombiniert bildgebende Technologien, um heterogene Krebszellen in ihrer Reaktion auf eine chemotherapeutische Behandlung zu unterscheiden.
Abbildung 1: Das oben abgebildete mechanisch-chemische Durchflusszytometer (MCFC) kombiniert bildgebende Technologien, um heterogene Krebszellen in ihrer Reaktion auf eine chemotherapeutische Behandlung zu unterscheiden.2

Und so funktioniert es: BCARS und RT-DC

In der ersten Komponente des MCFC wird mittels Spektroskopie die chemische Zusammensetzung von Krebszellen analysiert. Dank der vom MCFC genutzten breitbandigen kohärenten Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (BCARS) können Analysen ohne biochemische Marker durchgeführt werden. In diesem System wird eine Superkontinuum-Laserquelle, die mit nichtlinearen Prozessen einen extrem breiten Wellenlängenbereich erzeugt, in Kombination mit einem reflektierenden Strahlaufweiter zur Anregung der Zellen verwendet. Diese Anregung ermöglicht eine markierungsfreie Analyse der chemischen Eigenschaften, da jede einzelne Zelle eine einzigartige Schwingungssignatur aufweist, was bedeutet, dass eine biochemische Markierung nicht erforderlich ist. Die Markierung von Zellen kann Zellen, insbesondere Proteine innerhalb der Zelle, schädigen und die Daten verfälschen. Protein-Tags können die Chemie oder Struktur eines Proteins stören, was die Bindungsaffinität des Proteins zu anderen Proteinen, mit denen es normalerweise interagieren würde, verändern kann. Bei BCARS wird ein reflektierender Strahlaufweiter verwendet, da die Superkontinuumquelle nicht monochromatisch ist. Daher muss der reflektierende Strahlaufweiter die chromatische Aberration korrigieren, um die Divergenzunterschiede zwischen den Wellenlängen zu minimieren. Sie bestehen aus einem konkaven und einem konvexen Spiegel anstelle von transmissiven Linsen wie bei herkömmlichen Strahlaufweitern (Abbildung 2). Ihre gekrümmten Spiegel korrigieren auch die sphärische Aberration.

Abbildung 2: Dank des oben gezeigten reflektierenden Strahlaufweiters kann das MCFC aufgrund der Korrektur der chromatischen Aberration eine Superkontinuum-Quelle für BCARS verwenden.
Abbildung 2: Dank des oben gezeigten reflektierenden Strahlaufweiters kann das MCFC aufgrund der Korrektur der chromatischen Aberration eine Superkontinuum-Quelle für BCARS verwenden.

Die biomechanischen Eigenschaften von Krebszellen ermöglichen auch weitere Einblicke in das Verhalten des Krebses im Körper eines Patienten. Um diese Informationen zu erhalten, kommt ein Echtzeit-Verformbarkeitszytometer (RT-DC) zum Einsatz. Bei einem RT-DC werden die zu untersuchenden Zellen in eine Flüssigkeit getaucht und das Gemisch dann durch ein kleines Rohr geschickt. Die Zellen werden gequetscht, wodurch sie sich verformen. Das Verhalten der Zellen aufgrund der Kontraktion ermöglicht den Wissenschaftlern eine Kategorisierung. Die Durchflusszytometrie ist eine weitere markierungsfreie Methode der Bildgebung, die es ermöglicht, dass die interessierenden Zellen während des Analyseprozesses nicht beschädigt oder beeinträchtigt werden. Zur Untersuchung der Oberflächenkonturen wird die Hellfeld-Bildgebung eingesetzt, und eine CMOS-Kamera (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) erfasst die Bilder für die Analyse. Bei der Bildgebung werden die Zellverformungen durch einen Verformbarkeitsindex (DI) quantifiziert. Durch den Vergleich des DI von Zellen vor und nach Chemotherapeutika oder anderen Behandlungen können Zellgruppen als resistent gegen bestimmte Therapieformen identifiziert werden. Diese Zellgruppen könnten den Ärzten auch Aufschluss über die Metastasierung des Krebses geben, da die Therapieresistenz möglicherweise als Indikator für ein potenziell invasives Verhalten dienen könnte, allerding ist diese Technik noch in der Entwicklung.  

Abbildung 3: (A) veranschaulicht den Prozess einer RT-DC und wie Bilder wie (B) mit Hilfe der Hellfeld-Bildgebung erstellt werden, um den Verformbarkeitsindex (DI) der abgebildeten Zelle (C) zu bestimmen.
Abbildung 3: (A) veranschaulicht den Prozess einer RT-DC und wie Bilder wie (B) mit Hilfe der Hellfeld-Bildgebung erstellt werden, um den Verformbarkeitsindex (DI) der abgebildeten Zelle (C) zu bestimmen.3,4

Die Zukunft: Innovative optische Systeme in der Krebsbehandlung

Mit Blick auf die Zukunft arbeiten die Forscher im Parekh-Labor daran, die Technologien von BCARS und RT-DC in einem kommerziell erhältlichen MCFC zu kombinieren. Das Gerät muss zunächst mit der derzeit in der Industrie weit verbreiteten Technologie der fluoreszenzaktivierten Zellsortierung (FACS) verglichen werden. Die FACS verwendet Fluoreszenzmarkierungen, um Zellen auf der Grundlage der Fluoreszenzeigenschaften und der Lichtstreuung der Eingangszellen zu sortieren. Dank der neuen MCFC-Technik werden Ärzte in die Lage versetzt, phänotypische Bewertungen von Zellen in ähnlicher Weise ohne Markierungen durchzuführen, um die Heterogenität von Krebszellen besser zu verstehen. Die derzeitigen Techniken beschränken sich außerdem auf die Markierung der Zelloberfläche, die nicht unbedingt das Innere der Zelle beschreibt. Mit der Verformungsanalyse des RT-DC lassen sich die internen Eigenschaften der Zellen charakterisieren und potenziell mehr nützliche Informationen erhalten.

Der künftige Einsatz im klinischen Bereich könnte für Krebspatienten lebensverändernd sein. Die aktuellen Studien des Parekh-Labors konzentrieren sich auf Bauchspeicheldrüsenkrebszellen. Diese Technologie könnte jedoch auch bei verschiedenen anderen Krebsbehandlungsmaßnahmen eingesetzt werden. Sobald es auf den Markt kommt, können Ärzte die Krebszellen eines Patienten markierungsfrei analysieren und ein besseres Verständnis dafür gewinnen, wie der Krebs wahrscheinlich auf verschiedene Arten von Behandlung reagieren wird. Die Analyse nach der Therapie gibt den Ärzten dann Hinweise auf das weitere Vorgehen und vermittelt eine bessere Vorstellung von der Aggressivität des Krebses. Dieses Wissen ist für eine lebensrettende Behandlung von Patienten von entscheidender Bedeutung und hat das Potenzial, die langfristigen Überlebensraten zu erhöhen.  

Norman Edmund Inspiration Award

Der Preis

Das Edmund Optics Educational Award Program dient dazu, die Fortführung innovativer Forschung im Bereich der Optik an gemeinnützigen Hochschulen und Universitäten zu fördern. Das Parekh-Labor an der Universität Texas in Austin wurde für seine Arbeit an der Konstruktion eines mechanisch-chemischen Durchflusszytometers zur Verbesserung der Krebsbehandlung auf der Grundlage von Zellanalysen mit dem Educational Award 2020 in Silber ausgezeichnet. Mit dem Preis wurden dem Parekh-Labor Produkte im Wert von 7.500 Dollar zur Verfügung gestellt, die den Kauf von Qualitätsobjektiven und reflektierenden Strahlaufweitern ermöglichten. Der finale Bau des MCFC wird die Wirksamkeit der von den Ärzten erstellten Krebsbehandlungspläne verbessern. Dies könnte zu höheren Überlebensraten bei tödlichen Krebserkrankungen führen und eine stärker datengestützte Behandlung ermöglichen. Edmund Optics wurde die Ehre zuteil, dem Parekh-Labor den Educational Award 2020 in Silber für seine Arbeit zur Realisierung des MCFC in der klinischen Praxis zur Krebsbekämpfung zu verleihen.  

Literatur

  1. American Cancer Society . (2021), Cancer Facts & Figures 2021. CA: A Cancer Journal for Clinicians.
  2. Jennings, C. (2020). Development of Mechano-Chemical Flow Cytometer to Measure Interheterogeneity of Breast Cancer Cell Lines and Chemotherapeutic-Derived Phenotypes. The University of Texas at Austin Department of Biomedical Engineering.
  3. Otto, O., et al., Real-time deformability cytometry as a label-free indicator of cell function. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc, 2015. 2015: p. 1861-4. 40.
  4. Urbanska, M., et al., A comparison of microfluidic methods for high-throughput cell deformability measurements. Nat Methods, 2020.
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