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.