Fluorescentie tomografie

De Fluorescentie tomografie is een beeldvormende techniek die voornamelijk wordt gebruikt bij in vivo diagnostiek. Het is gebaseerd op het gebruik van fluorescerende kleurstoffen die als biomarkers dienen. Tegenwoordig wordt de procedure meestal gebruikt in onderzoek of in prenatale studies.

Wat is fluorescentietomografie?

Fluorescentietomografie registreert en kwantificeert de driedimensionale distributie van fluorescerende biomarkers in biologische weefsels. De zogenaamde fluoroforen, d.w.z. de fluorescerende stoffen, absorberen aanvankelijk elektromagnetische straling in het nabije infraroodbereik. Daarna zenden ze weer straling uit in een iets lagere energietoestand. Dit gedrag van de biomoleculen wordt fluorescentie genoemd.

De absorptie en emissie vinden plaats in het golflengtebereik tussen 700 - 900 nm van het elektromagnetische spectrum. Polymethines worden meestal gebruikt als fluoroforen. Dit zijn kleurstoffen die conjugerende elektronenparen in het molecuul hebben en daardoor fotonen kunnen absorberen om de elektronen te exciteren. Deze energie komt weer vrij bij lichtemissie en warmteopwekking.

Terwijl de fluorescerende kleurstof gloeit, kan de verdeling ervan in het lichaam worden gevisualiseerd. Net als contrastmiddelen worden fluoroforen gebruikt in andere beeldvormingsprocedures. Ze kunnen intraveneus of oraal worden toegediend, afhankelijk van het toepassingsgebied. Fluorescentietomografie is ook geschikt voor gebruik bij moleculaire beeldvorming.

Functie, effect en doelen

Fluorescentietomografie wordt meestal gebruikt in het nabij-infraroodbereik omdat het kortgolvige infraroodlicht gemakkelijk door het lichaamsweefsel kan gaan. Alleen water en hemoglobine kunnen straling in dit golflengtebereik absorberen. In een typisch weefsel is hemoglobine verantwoordelijk voor ongeveer 34 tot 64 procent van de absorptie. Het is dus de bepalende factor voor deze procedure.

Er is een spectraal venster in het bereik van 700 tot 900 nanometer. De straling van de fluorescerende kleurstoffen bevindt zich ook in dit golflengtebereik. Daarom kan het korte golf infrarood licht biologisch weefsel goed doordringen. De resterende absorptie en verstrooiing van de straling zijn beperkende factoren van de procedure, zodat de toepassing ervan beperkt blijft tot kleine weefselvolumes. Fluorescerende kleurstoffen uit de groep polymethinen worden tegenwoordig voornamelijk als fluoroforen gebruikt. Aangezien deze kleurstoffen echter bij blootstelling langzaam worden vernietigd, is hun gebruik aanzienlijk beperkt. Quantum dots gemaakt van halfgeleidermaterialen zijn een alternatief.

Dit zijn nanobodies, maar ze kunnen selenium, arseen en cadmium bevatten, zodat hun gebruik bij mensen in principe moet worden uitgesloten. Eiwitten, oligonucleotiden of peptiden werken als liganden voor conjugatie met de fluorescerende kleurstoffen. In uitzonderlijke gevallen worden ook niet-geconjugeerde fluorescerende kleurstoffen gebruikt. De fluorescerende kleurstof "indocyaninegroen" wordt sinds 1959 als contrastmedium bij angiografie bij mensen gebruikt. Geconjugeerde fluorescentie-biomarkers zijn momenteel niet goedgekeurd voor mensen. Voor toepassingsonderzoek voor fluorescentietomografie worden tegenwoordig alleen dierproeven uitgevoerd.

De fluorescentie-biomarker wordt intraveneus aangebracht en de kleurstofverdeling en de ophoping ervan in het te onderzoeken weefsel worden vervolgens in de tijd opgelost. Het lichaamsoppervlak van het dier wordt gescand met een NIR-laser. Een camera registreert de straling die wordt uitgezonden door de fluorescentie-biomarker en combineert de beelden tot een 3D-film. Op deze manier kan het pad van de biomarkers worden gevolgd. Tegelijkertijd kan ook het volume van het gemarkeerde weefsel worden geregistreerd, zodat kan worden ingeschat of het mogelijk tumorweefsel is. Tegenwoordig wordt fluorescentietomografie op veel manieren gebruikt in preklinische studies. Ook wordt er intensief gewerkt aan mogelijke toepassingen in de menselijke diagnostiek.

Onderzoek speelt hier een prominente rol voor de toepassing ervan in kankerdiagnostiek, met name bij borstkanker. Aangenomen wordt dat fluorescentie-mammografie het potentieel heeft voor een goedkope en snelle screeningsmethode voor borstkanker. Al in 2000 presenteerde Schering AG een gemodificeerd indocyaninegroen als contrastmedium voor dit proces. Het is echter nog niet goedgekeurd. Ook wordt een toepassing besproken om de lymfestroom te beheersen. Een ander potentieel toepassingsgebied is het gebruik van de methode voor risicobeoordeling bij kankerpatiënten. Fluorescentietomografie heeft ook een groot potentieel voor de vroege detectie van reumatoïde artritis.

Risico's, bijwerkingen en gevaren

Fluorescentietomografie heeft verschillende voordelen ten opzichte van sommige andere beeldvormingstechnieken. Het is een zeer gevoelige procedure waarbij zelfs de kleinste hoeveelheden fluorofoor voldoende zijn voor beeldvorming. Hun gevoeligheid kan worden vergeleken met de nucleair geneeskundige procedures PET (positronemissietomografie) en SPECT (enkelvoudige fotonemissietomografie).

In dit opzicht is het zelfs superieur aan MRI (Magnetic Resonance Imaging). Bovendien is fluorescentietomografie een zeer goedkope methode. Dit geldt zowel voor de investering en exploitatie van apparatuur als voor de uitvoering van het onderzoek. Bovendien is er geen blootstelling aan straling. Het nadeel is echter dat de hoge verstrooiingsverliezen de ruimtelijke resolutie drastisch verminderen met toenemende lichaamsdiepte. Daarom kunnen alleen kleine weefseloppervlakken worden onderzocht. Bij mensen kunnen de interne organen op dit moment niet goed worden weergegeven. Er zijn echter pogingen om de verstrooiingseffecten te beperken door tijdsselectieve methoden te ontwikkelen.

De sterk verstrooide fotonen worden gescheiden van de enige licht verstrooide fotonen. Dit proces is nog niet volledig ontwikkeld. Verder is er behoefte aan verder onderzoek naar de ontwikkeling van een geschikte fluorescentie biomarker. De vorige fluorescentie-biomarkers zijn niet goedgekeurd voor mensen. De momenteel gebruikte kleurstoffen worden afgebroken door de inwerking van licht, wat een aanzienlijk nadeel voor hun gebruik betekent. Mogelijke alternatieven zijn zogenaamde quantum dots gemaakt van halfgeleidermaterialen, maar vanwege hun gehalte aan giftige stoffen zoals cadmium of arseen zijn ze niet geschikt voor gebruik in in vivo diagnostiek bij mensen.