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Chirurgisches Skalpell erschnüffelt Krebs
In der Hoffnung, Onkologen zu helfen, jedes Stück Tumorgewebe während der Operation zu entfernen, entwickeln Forscher neue bildgebende Werkzeuge, die in Echtzeit im Operationssaal arbeiten. Europäische Forscher haben nun gezeigt, dass ein als Massenspektrometer bezeichnetes chemisches Analyseinstrument mit einem Elektroskalpell gekoppelt werden kann, um während einer Operation ein molekulares Gewebeprofil zu erstellen. Die Forscher haben gezeigt, dass sich mit der Methode verschiedene Gewebearten abbilden und Krebsgewebe unterscheiden lassen. Das Gerät wird nächsten Monat mit klinischen Studien beginnen.
Chemischer Betrieb: Dieses Gerät verwendet Massenspektrometrie, um während der Operation molekulare Karten von Gewebe zu erstellen. Die von einem Elektroskalpell erzeugten Dämpfe werden durch den Schlauch unten links in die Maschine gesaugt.
Wenn ein Chirurg eine Krebsoperation durchführt, hat er keine direkten Informationen darüber, wo sich der Tumor befindet, sagt Zoltán Takáts, Professor an der Justus-Liebig University in Gießen, Deutschland. Stattdessen verlassen sich Chirurgen auf präoperative Bildgebungsscans und auf das Feedback von Pathologen, die Gewebebiopsien unter einem Mikroskop untersuchen. Wir möchten ihnen ein Werkzeug zur Verfügung stellen, das ihnen direkt in der Hand liegt, damit sie es einfach testen können, wenn sie der Meinung sind, dass eine Struktur verdächtig ist, sagt Takáts.
Die Massenspektrometrie, eine sehr genaue Methode zur Identifizierung von Molekülen durch Analyse des Verhältnisses zwischen Masse und Ladung, wird bereits von einer Handvoll Forschungsgruppen zur Untersuchung biologischer Proben eingesetzt. Forscher wissen seit vielen Jahren, dass Tumorgewebe und gesundes Gewebe unterschiedliche molekulare Profile aufweisen und sich damit unterscheiden oder sogar bestimmen lässt, wie aggressiv ein bestimmter Tumor ist. Andere Forschungsgruppen haben die Massenspektrometrie zur Analyse von biopsiertem Gewebe eingesetzt und gezeigt, dass sie diese Differenzierungen vornehmen kann. Das Problem bei der Verwendung von Massenspektrometrie im Operationssaal ist die Probensammlung. Bevor Moleküle analysiert werden können, müssen sie ionisiert und in die Maschine gesaugt werden. Um Ionen zu erzeugen, muss eine Probe mit einem Strom geladener Teilchen, oft einem Gas, beschossen werden, und diese Methoden sind nicht für den Operationssaal geeignet. Ein Hochspannungs-Stickstoffstrahl sei mit dem menschlichen Körper nicht verträglich, sagt Takáts.
Takáts erkannte, dass einige chirurgische Schneidwerkzeuge, darunter Elektroskalpelle, als eine Art Abfallprodukt gasförmige Ionen produzieren, die sich für die massenspektrometrische Analyse eignen. Und diese Dämpfe, oft als chirurgischer Rauch bezeichnet, werden bereits während der Operation gesammelt, da sie für die Lunge schädlich sind. Takáts und seine Mitarbeiter fanden heraus, dass die Massenspektrometrie von chirurgischem Rauch verwendet werden kann, um eine molekulare Karte eines Tumors zu erstellen. Nachdem die Dämpfe in das Massenspektrometer gesaugt wurden, werden die Chemikalien in der Probe identifiziert und mit einer Datenbank verglichen, um dem Chirurgen eine Anzeige zu geben. Das Sammeln und Analysieren einer chemischen Probe dauert einige hundert Millisekunden. Wir können eine Karte zeichnen und sagen, dieser Teil sei gesunde Leber, also Bindegewebe, das sei Fettgewebe, also Krebs, sagt Takáts.
Diese Arbeit stellt einen Meilenstein in der Anwendung der Massenspektrometrie in der Medizin dar, sagt R. Graham Cooks , ein Professor für Chemie an der Purdue University, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Die Massenspektrometrie ist nur eine von vielen bildgebenden Verfahren, die für den Einsatz während der Operation evaluiert werden. Ein anderer Ansatz besteht darin, einem Patienten Fluoreszenzfarbstoffe zu injizieren, die an Tumormoleküle binden und unter Infrarotlicht sichtbar sind. Die Massenspektrometrie kann jedoch umfassendere Informationen über die molekularen Profile von Geweben liefern. Das neue System liefert nicht nur Echtzeitinformationen, sondern erstellt unter Verwendung chemischer Informationen auch ein Bild des Tumors, das auch bei der postoperativen Versorgung helfen könnte. Der Imager könnte beispielsweise eine besonders aggressive Krebsart aufdecken, und diese Informationen könnten Onkologen bei der Verschreibung des richtigen Medikaments helfen.
Cooks entwickelt eine andere Art von Massenspektrometrie-System für die Gewebeanalyse. Sein System namens DESI erfordert das Aufsprühen eines Nebels geladener Teilchen auf das Gewebe, kann jedoch eine größere Bandbreite an Molekülen analysieren und könnte detailliertere Informationen liefern. Die Technik von Takáts untersucht hauptsächlich die Fettmoleküle, die als Lipide bezeichnet werden und aus denen die Zellmembranen bestehen.
Bisher haben die deutschen Forscher das chirurgische Massenspektrometrie-System an mehreren Tieren, darunter Nagetieren, mit Krebs getestet. Die Gruppe arbeitet auch mit Tierärzten zusammen, um das Skalpell bei Tumorentfernungsoperationen bei Hunden mit natürlich vorkommenden Tumoren einzusetzen. Nächsten Monat geht das Gerät in klinische Studien am Menschen, und Takáts arbeitet mit Meyer-Haake , ein deutsches Unternehmen für elektrochirurgische Geräte, mit der Entwicklung der Maschinen.
Die wichtigste verbleibende Hürde, um Massenspektrometrie in den Operationssaal zu bringen, können die Kosten sein. Ein elektrochirurgisches System kostet normalerweise 8.000 US-Dollar, während ein kommerzielles Massenspektrometriesystem bei 120.000 US-Dollar beginnt. Takáts weist darauf hin, dass der Markt für Massenspektrometrie derzeit sehr klein ist, aber die Öffnung des chirurgischen Marktes kann dazu beitragen, die Kosten zu senken. Durch den Einsatz von Instrumenten, die auf die für biologisches Gewebe relevante Art der Analyse zugeschnitten sind, die nicht so leistungsstark sein muss wie in Chemielabors, hofft Takáts, eine Maschine zu bauen, die etwa 20.000 US-Dollar kostet.