Erfol­ge bei Farb­stoff­ent­wick­lung für die fluo­res­zenz­ge­führ­te Krebschirurgie

Fluo­res­zenz­bild­ge­bung mit kurz­wel­li­gem Infra­rot­licht hat das Poten­zi­al, die Prä­zi­si­on und Sicher­heit in der Kreb­schir­ur­gie deut­lich zu erhö­hen. Bis­lang gibt es hier­für jedoch nur sehr weni­ge kli­nisch ein­setz­ba­re Farb­stof­fe. Ein inter­na­tio­na­les For­scher­team unter Lei­tung von Wis­sen­schaft­lern am Natio­nal Can­cer Insti­tu­te (Bethes­da, Mary­land, USA) und am Helm­holtz Zen­trum Mün­chen hat nun zwei neue Fluo­res­zenz­farb­stof­fe für den Kurz­wel­len­in­fra­rot-Bereich und ein zuge­hö­ri­ges Bild­ge­bungs­sys­tem entwickelt.
Damit eröff­net sich erst­mals die Mög­lich­keit, wäh­rend einer Ope­ra­ti­on bestimm­te Struk­tu­ren – wie den Tumor, das umlie­gen­de gesun­de Gewe­be sowie ablei­ten­den Lymph­ge­fä­ße – gleich­zei­tig in einem flüs­si­gen Video­bild sicht­bar zu machen. Nach sei­ner Beru­fung ans Natio­na­le Cen­trum für Tumor­er­kran­kun­gen Dres­den (NCT/UCC) wird Prof. Oli­ver Bruns die inno­va­ti­ve Bild­ge­bungs­me­tho­de für die Kreb­schir­ur­gie in Dres­den wei­ter­ent­wi­ckeln. Die Ergeb­nis­se wur­den im renom­mier­ten Fach­ma­ga­zin Natu­re Methods veröffentlicht.
Das Natio­na­le Cen­trum für Tumor­er­kran­kun­gen Dres­den (NCT/UCC) ist eine gemein­sa­me Ein­rich­tung des Deut­schen Krebs­for­schungs­zen­trums (DKFZ), des Uni­ver­si­täts­kli­ni­kums Carl Gus­tav Carus Dres­den, der Medi­zi­ni­schen Fakul­tät Carl Gus­tav Carus der TU Dres­den und des Helm­holtz-Zen­trums Dres­den-Ros­sen­dorf (HZDR).
Tumor­ope­ra­tio­nen sind Mil­li­me­ter­ar­beit. Ziel ist es, den Tumor und mög­li­che Meta­sta­sen voll­stän­dig zu ent­fer­nen. Zugleich gilt es, gesun­des Gewe­be sowie umlie­gen­de Risi­ko­struk­tu­ren wie Ner­ven und Gefä­ße soweit wie mög­lich zu scho­nen. Die Fluo­res­zenz­bild­ge­bung mit kurz­wel­li­gem Infra­rot­licht (auch „SWIR“ von eng­lisch short-wave-infra­red) mit Wel­len­län­gen grö­ßer 1.000 Nano­me­tern soll Chir­ur­g­in­nen und Chir­ur­gen künf­tig bei die­ser schwie­ri­gen Auf­ga­be unterstützen.
Mit­tels SWIR las­sen sich deut­lich schär­fe­re Bil­der und Ein­bli­cke in tie­fe­re Gewe­be­schich­ten erzie­len als mit der her­kömm­li­chen Fluo­res­zenz­bild­ge­bung, die mit Infra­rot­licht im Wel­len­län­gen­be­reich von 700 bis 900 Nano­me­tern funk­tio­niert. Zudem bie­tet die inno­va­ti­ve Metho­de das Poten­ti­al, zeit­gleich aus­ge­wähl­te Gewe­be, Gefä­ße und Kör­per­flüs­sig­kei­ten gezielt zum Leuch­ten zu brin­gen. Nach­dem die Prei­se für geeig­ne­te Kame­ras durch die rasan­te Ent­wick­lung in der Indus­trie deut­lich gesun­ken sind, sind geeig­ne­te Farb­stof­fe das ent­schei­den­de Nadel­öhr für die medi­zi­ni­sche Anwendung.

„Die nun erziel­ten Fort­schrit­te bei der Farb­stoff- und Tech­no­lo­gie­ent­wick­lung schaf­fen erst­mals die nöti­gen Vor­aus­set­zun­gen, um ver­schie­de­ne Struk­tu­ren wie den Tumor, ablei­ten­de Lymph­ge­fä­ße und Wäch­ter­lymph­kno­ten in einem sehr dyna­mi­schen Pro­zess wie der fluo­res­zenz­ge­führ­ten Chir­ur­gie sicht­bar zu machen.“
— Prof. Oli­ver Bruns

Bruns wur­de im Febru­ar in einer gemein­sa­men Beru­fung der TU Dres­den und des Deut­schen Krebs­for­schungs­zen­trums (DKFZ) zum Pro­fes­sor für Funk­tio­nel­le Bild­ge­bung in der Ope­ra­ti­ven Onko­lo­gie am Natio­na­len Cen­trum für Tumor­er­kran­kun­gen Dres­den (NCT/UCC) ernannt und zudem zum Grup­pen­lei­ter am Helm­holtz Zen­trum Mün­chen. Die in sei­ner Zeit am Helm­holtz Zen­trum Mün­chen erziel­ten For­schungs­er­geb­nis­se zur Fluo­res­zenz­bild­ge­bung sind eine wich­ti­ge Grund­la­ge für die künf­ti­ge For­schung in Dresden.
Bei der Farb­stoff­ent­wick­lung setz­ten die For­schen­den auf Cya­nin-Farb­stof­fe, die zu den gän­gigs­ten Farb­stof­fen für die Mehr­far­ben-Fluo­res­zenz­mi­kro­sko­pie gehö­ren. Nur weni­ge von ihnen sind aller­dings für die Bild­ge­bung in leben­den Orga­nis­men und im SWIR-Bereich geeig­net. Fluo­res­zenz­farb­stof­fe wer­den in der Regel intra­ve­nös ver­ab­reicht und las­sen sich teil­wei­se mit Anti­kör­pern ver­knüp­fen, die sie spe­zi­fisch an Tumo­re bin­den las­sen. Durch die geziel­te com­pu­ter­ge­stütz­te Wei­ter­ent­wick­lung einer kli­nisch zuge­las­se­nen Mole­kül-Klas­se gelang es, zwei neue Farb­stof­fe (FNIR-872, FNIR-1072) zu ent­wi­ckeln, die nach der opti­schen Anre­gung einen Groß­teil des Lichts im SWIR-Bereich emit­tie­ren. „Wei­te­re wesent­li­che Eigen­schaf­ten der neu ent­wi­ckel­ten Farb­stof­fe sind, dass sie ungif­tig sind, sich gut in Was­ser lösen und sich mit Bio­mo­le­kü­len kop­peln las­sen, die die Farb­stof­fe zu den gewünsch­ten Ziel­struk­tu­ren im Orga­nis­mus trans­por­tie­ren“, erklärt Dr. Mar­tin Schner­mann vom Natio­nal Can­cer Institute.
Par­al­lel zu den Farb­stof­fen ent­wi­ckel­ten die For­schen­den ein Bild­ge­bungs­sys­tem mit drei Lasern und einer LED-Quel­le. Damit ist es mög­lich, einen bereits zuge­las­se­nen, für die SWIR-Bild­ge­bung geeig­ne­ten Farb­stoff (Indo­cya­nin­grün, ICG) sowie die bei­den neu ent­wi­ckel­ten Farb­stof­fe gleich­zei­tig mit den jeweils geeig­ne­ten Wel­len­län­gen anzu­re­gen. Die ver­schie­de­nen Bild­in­for­ma­tio­nen las­sen sich in einer gemein­sa­men Ansicht bün­deln und mit einer Rate von acht Bil­dern pro Sekun­de in ein flüs­si­ges Video­bild über­füh­ren. Die­ses eröff­net die Mög­lich­keit, Chir­ur­g­in­nen und Chir­ur­gen wäh­rend einer Ope­ra­ti­on einen kon­ti­nu­ier­li­chen Ein­blick in alle wich­ti­gen Ziel- und Risi­ko­struk­tu­ren zu geben. Mit der bis­he­ri­gen Fluo­res­zenz­bild­ge­bung las­sen sich hin­ge­gen jeweils nur ein­zel­ne Struk­tu­ren in gerin­ge­rer Qua­li­tät her­vor­he­ben. Das neu ent­wi­ckel­te Bild­ge­bungs­sys­tem hat dar­über hin­aus den Vor­teil, dass es nicht emp­find­lich für sicht­ba­res Licht ist und Ope­ra­tio­nen bei nor­ma­ler Raum­be­leuch­tung ermöglicht.