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Real-time Tumor-Imaging

Bereits seit 60 Jahren träumen Krebschirurgen davon, Tumore spezifisch anzufärben und diese damit während der Operation besser sichtbar machen zu können. Denn ein verbessertes Erkennen und Entfernen des Tumorgewebes verspricht bessere Aussichten für die Patienten. Bisherige krebsspezifische Farbstoffe blieben indes meist im Tierversuchsstadium, weil ihre Eigenschaften nicht ohne weiteres auf den Menschen übertragen werden können und daher die Kosten klinischer Studien von mehr als 1 Mio. Euro als zu risikoreich galten. Zusätzlich erfassten Fluoreszenzkameras nicht nur die Fluoreszenz, die von den markierten Zellen ausging, sondern auch die Eigenfluoreszenz, Reflexion, Streuung etc. Angesichts der Zulassung der ersten klinischen Studien zum intraoperativen Tumor-Imaging befragte LABORWELT einen Farbstoff- und einen Kamera-Experten, was sich geändert hat und wohin die Entwicklung geht.

Dr. Werner Scheuer

LABORWELT:

Welche Methoden gibt es, Tumorzellen spezifisch zur Fluoreszenz anzuregen, und wo liegen ihre jeweiligen Stärken und Schwächen?

Scheuer:

Die beste Methode, um spezifisch Tumorzellen zu identifizieren, ist der gezielte Einsatz von mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierten Antikörpern, die gegen ein Tumor-assoziiertes Zelloberflächen-Antigen gerichtet sind. Entsprechende Antikörper-Fluorophor-Konstrukte bilden die Grundlage des FACS-Verfahrens, das bereits seit Jahren eingesetzt wird, um Tumorzellen ex situ zu identifizieren. Zusätzlich werden diese Antikörper zur immunhistochemischen Untersuchung von Krebs in Gewebebiopsien eingesetzt. Das „Krebsantigen“ sollte dabei funktionell am Wachstum des Primärtumors beteiligt sein und mit dem Schweregrad der Erkrankung korrelieren.

Sogenannte Quantum dots weisen zwar exzellente (Fluoreszenz-)Eigenschaften auf, aber sie können sich in der Leber anreichern oder von Makrophagen aufgenommen werden und sind oft toxisch. Auch wurden Antikörper eingesetzt, die mit radioaktiven Isotopen markiert waren. Diese zeigten aber Nachteile wie eine geringe Auflösung und eine kurze Lebensdauer beziehungsweise Halbwertszeit.

Um für den intraoperativen Einsatz geeignet zu sein, muss ein krebsspezifischer Marker besondere Anforderungen erfüllen. Physikochemisch sind insbesondere eine hohe Quantenausbeute, eine Emission im fernen Infrarotbereich, hohe Fluoreszenzstabilität und Lagerfähigkeit, Nichttoxizität sowie eine einfache und wirtschaftliche Produktion gefordert. Das Ankoppeln des Fluoreszenzlabels an den Antikörper sollte in einer Ein-Schritt-Reaktion erfolgen und nicht die Bindungskinetik an das Zielantigen stören. Zahlreiche Fluorophore müssen zudem optimiert werden, um Fluoreszenzbleaching zu vermeiden. Das Fluorophor-Antikörper-Konstrukt muss nach intravenöser Applikation eine optimale Serumstabilität aufweisen. Zudem ist seine Sicherheit in Cynomolgus-Makaken nachzuweisen.

All dies erfüllen zwei an den Fluoreszenzfarbstoff IRDye800CW gekoppelte neue Antikörperkonstrukte, von denen einer unlängst die Zulassung für klinische Tests erhalten hat: der gegen das teils membrangebundene Antigen VEGF gerichtete Antikörper Avastin-IRDye800CW wird bereits ab diesem Herbst klinisch getestet. Danach sind auch Studien mit einem gegen den Her2/neu-Rezeptor gerichteten Antikörper Herceptin-IRDye800CW geplant. Sie sollen mikrodosiert (Faktor 100 unter minimaler Wirkkonzentration des therapeutischen Antikörpers) verabreicht werden. Gegenüber Labeling-Ansätzen, die auf die Spaltung fluoreszenzgelöschter Peptide durch Krebszellproteasen setzen, weisen die zugelassenen Label den Vorteil auf, nicht in die Zelle aufgenommen und dort möglicherweise abgebaut zu werden. 

Werner Scheuer ist Forschungsleiter in der Abteilung pRED, Discovery Oncology, bei Roche Diagnostics GmbH in Penzberg.

Prof. Dr. Go van Dam

LABORWELT:

Wo liegen die Stärken und Schwächen der derzeitigen NIR-Fluoreszenz-Kamerasysteme, die zum intraoperativen Tumorimaging genutzt werden sollen?

van Dam:

Momentan gibt es nur ein einziges tatsächlich klinisch angewandtes Infrarot-Fluoreszenzkamerasystem, das Chirurgen in Kombination mit krebsspezifischen Fluoreszenzfarbstoffen hilft, zwischen Tumorgewebe und gesundem Gewebe zu unterscheiden. Es wurde von Vasilis Ntziachristos entwickelt, der am Helmholtz-Zentrum München und der Technischen Universität München forscht, und von unserer Gruppe im vergangenen Jahr erstmals an Patientinnen mit Eierstockkrebs getestet.

Alle anderen Imaging-Systeme, die bisher mit demselben Ziel entwickelt wurden, sind videographische Systeme. Das Photodynamic Eye von Hamamatsu Photonics, das Fluobeam-System von Fluooptics aus Grenoble, das von der kanadischen Novadaq entwickelte Spy Imaging System oder das Artemis-System von O2view haben eines gemeinsam – sie machen Videos, indem sie lediglich ein Bild aufnehmen, ohne das physikalische Verhalten des Lichtes im Gewebe zu berücksichtigen. Sie korrigieren nicht die Signalabschwächung, weder durch Streuung oder Absorption noch durch die Gewebeeigenschaften. 

Das waren genau die Herausforderungen, denen sich Vasilis gegenübersah, als er 2001/2002 mit der Entwicklung seines Systems begann: Lediglich eine Epifluoreszenzkamera zu montieren, war nicht genug. Denn ein Großteil der Signale ging infolge der Absorption des Blutes oder durch die Lichtstreuung an Fettgewebe verloren. Von der physikalischen Seite her, also der Instrumentation, unterscheiden sich die Kamerasysteme nicht wesentlich. Der maßgebliche Unterschied besteht in der Datenakquisition und -analyse. Das Fluoreszenzsignal wird beim multispektralen Imagingsystem mit Hilfe eines patentierten Algorithmus korrigiert, der die Gewebeeigenschaften berücksichtigt.

In Maus-Modellen konnten wir mit dieser Imagingtechnik die Rate falsch-positiver und falsch-negativer Ergebnisse bereits erheblich verringern. Das aktuelle System erreicht dies durch die simultane Detektion multipler Wellenlängen, verbesserte Algorithmen und fortschrittene Graphic Processing Units (GPU). Eine gut durch den Chirurgen zu bedienende Software ermöglicht es, für jeden Patienten und seinen individuellen Tumor eine Kalibrierung durchzuführen und anschließend real-time-Bilder aufzunehmen.

Das System schafft damit die Grundlage dafür, Tumore schon während der Operation besser zu erkennen, besser zu entfernen und damit die Prognose der Patienten maßgeblich zu verbessern. In Pilotstudien im vergangenen Jahr haben wir bereits zeigen können, dass das System Eierstocktumore mit siebenmal höherer Auflösung erkennt als das menschliche Auge allein. In klinischen Studien, die in diesem Jahr an der Majo-Klinik in Rochester beginnen, soll dies an einer größeren Anzahl von Patienten statistisch untermauert werden.

Gooitzen van Dam ist Principal Investigator der Forschungsgruppe „Intraoperatives Optisches Imaging“ in der Abteilung Chirurgie der Universität Groningen.

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Heft 1/2012

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http://www.laborwelt.de/spezialthemen/krebsanalyse-diagnostik/real-time-tumor-imaging.html

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