Al imitar el intrincado sistema visual de una mariposa, Los investigadores han creado una cámara que proporciona a los cirujanos tanto una imagen en color tradicional como una imagen en el infrarrojo cercano que hace que las células cancerosas marcadas con fluorescencia sean visibles incluso bajo una iluminación quirúrgica brillante. La nueva cámara está diseñada para ayudar a los cirujanos a eliminar todas las células cancerosas sin dañar el tejido sano. haciendo menos probable que el cáncer se propague y reduciendo la necesidad de múltiples cirugías.

"En lugar de juntar ópticas y sensores disponibles comercialmente para construir una cámara para cirugía guiada por imágenes, buscamos inspiración en los sistemas visuales de la naturaleza, ", dijo el líder del equipo de investigación Viktor Gruev de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign." La mariposa morfo, cuyos ojos contienen nanoestructuras que detectan información multiespectral, puede adquirir información de color y de infrarrojo cercano simultáneamente ".

En Optica , La revista de la Optical Society para la investigación de alto impacto, los investigadores demuestran que su cámara bioinspirada puede detectar tumores en animales y es útil para evaluar el estadio del cáncer de mama en las personas. La nueva cámara ofrece una detección de fluorescencia muy sensible incluso con la iluminación estándar de la sala de operaciones. pesa menos que una pila AA, y se puede fabricar por alrededor de $ 20.

"Durante la cirugía, es imperativo que se elimine todo el tejido canceroso, y hemos creado una plataforma de imágenes que podría ayudar a los cirujanos a hacer esto en cualquier hospital del mundo porque es pequeño, compacto y económico, ", dijo Gruev." Aunque hemos abordado el lado de la instrumentación, Los marcadores fluorescentes dirigidos contra el cáncer y aprobados para su uso en personas son necesarios para que nuestra tecnología encuentre una aplicación generalizada. Varios de estos se encuentran actualmente en ensayos clínicos, por lo que pronto veremos avances en esta área ".

Aprendiendo de la naturaleza

La nueva cámara mejora en gran medida las cámaras actuales aprobadas por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) para ver marcadores fluorescentes durante la cirugía. Muchas cámaras de infrarrojo cercano existentes carecen de la sensibilidad para detectar marcadores de fluorescencia en entornos quirúrgicos, por lo que las luces de la habitación deben atenuarse para ver la fluorescencia.

Otro problema con los generadores de imágenes infrarrojos actuales es que la imagen de fluorescencia no siempre está alineada con precisión, o coregistrado, con el tejido del que surge. Esto sucede porque los instrumentos aprobados por la FDA utilizan múltiples elementos ópticos, como divisores de haz y lentes de relé, para separar las longitudes de onda visible e infrarroja, para que cada uno pueda enviarse a detectores separados. Los cambios leves de temperatura en la habitación pueden afectar la óptica de estos instrumentos y causar desalineaciones de la imagen que podrían hacer que un cirujano no detectara tejido canceroso mientras elimina innecesariamente el problema sano.

"Nos dimos cuenta de que los problemas de los generadores de imágenes infrarrojos de hoy en día podrían mitigarse mediante el uso de nanoestructuras similares a las de la mariposa morfo". "dijo Missael García, investigador postdoctoral en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y autor principal del artículo. "Sus ojos compuestos contienen fotorreceptores ubicados uno al lado del otro, de modo que cada fotorreceptor detecta diferentes longitudes de onda de luz de una manera que está intrínsecamente registrada".

La nueva cámara utiliza una configuración similar al ojo de mariposa al entrelazar varias estructuras a nanoescala con una serie de fotodetectores. lo que permite la recopilación de información de color y fluorescencia del infrarrojo cercano en un dispositivo de imágenes. La integración del detector y la óptica de imágenes en un solo sensor monolítico mantiene el dispositivo pequeño, económico e insensible a los cambios de temperatura.

El diseño resuelve de manera única el problema de la sensibilidad al permitir que cada píxel tome la cantidad de fotones necesarios para construir una imagen. No lleva mucho tiempo crear la imagen de longitud de onda visual para ver la anatomía, ya que la iluminación visible en el laboratorio es alta. Por otra parte, porque la fluorescencia es típicamente tenue, se necesita más tiempo para recolectar una cantidad suficiente de fotones para construir una imagen lo suficientemente brillante. Al cambiar el tiempo de exposición para permitir que cada píxel detecte los fotones que necesita, Se puede crear una imagen de fluorescencia brillante sin sobreexponer la imagen en color del tejido.

Pruebas preclínicas y clínicas

Los investigadores probaron su nuevo instrumento en un modelo de ratón que desarrolla cáncer de mama espontáneo. Esto significa que se desconoce la ubicación exacta donde crecerá el cáncer, al igual que la cantidad de células cancerosas. Usando etiquetas fluorescentes que se unen a las células cancerosas, Los investigadores demostraron que su generador de imágenes bioinspirado permitía la detección de tumores con una precisión y sensibilidad que superaban las cámaras infrarrojas de última generación aprobadas por la FDA para la cirugía guiada por imágenes.

Los investigadores también probaron la capacidad de su cámara infrarroja para identificar los ganglios linfáticos en 11 pacientes con cáncer de mama en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis. Debido a que los ganglios linfáticos son uno de los lugares principales por donde se disemina el cáncer de mama, los cirujanos los revisan para determinar la etapa del cáncer. Los pacientes fueron inyectados con un tinte fluorescente verde de indocianina aprobado por la FDA que se acumula pasivamente en los ganglios linfáticos y luego las imágenes de fluorescencia del generador de imágenes bioinspiradas se mostraron en una pantalla o se proyectaron en las gafas que usaban los cirujanos.

"Demostramos que bajo brillantes luces quirúrgicas, nuestro instrumento era 1000 veces más sensible a la fluorescencia que los generadores de imágenes aprobados actualmente para la cirugía guiada por imágenes infrarrojas, ", dijo Gruev." Debido a que el generador de imágenes bioinspirado puede revelar fluorescencia que se encuentra en lo profundo del tejido, aceleró el proceso de identificación de los ganglios linfáticos y ayudó a los cirujanos a encontrar los ganglios linfáticos que no se podían ver solo con la vista ".

Según los investigadores, el generador de imágenes bioinspirado sería útil para eliminar varios tipos de cánceres, incluidos los melanomas, cáncer de próstata y cánceres de cabeza y cuello. Debido a su pequeño tamaño, también podría integrarse en un endoscopio para buscar cáncer durante una colonoscopia. por ejemplo.

"Una gran ventaja de nuestro instrumento es su tamaño compacto, ", dijo García." Probamos nuestro instrumento en un hospital donde el espacio era reducido y vimos que no interfería en el flujo de trabajo quirúrgico ".

Los investigadores ahora están formando una empresa de nueva creación para comercializar su generador de imágenes bioinspiradas y también están trabajando con la FDA para diseñar un ensayo clínico en el que los cirujanos puedan comparar las decisiones clínicas tomadas con el nuevo generador de imágenes con las que se tomarían con las aprobadas por la FDA. generadores de imágenes.