3D-fantoommodellen die optische en fysieke eigenschappen van tumoren nabootsen kunnen als alternatief worden ingezet voor dierproeven bij het testen van chirurgische beeldvormingstechnologieën. De modellen worden geprint in diverse vormen van echte tumoren, zijn een paar centimeter groot en zijn opgebouwd uit stoffen als lipiden, hemoglobine, enzymen en tumorcellen die gebonden zijn met gelatine.
De modellen zijn ontwikkeld onder leiding van Indrajit Srivastava, assistent-professor in de werktuigbouwkunde aan de Texas Tech University. Srivastava was op zoek naar een betrouwbare manier een beeldvormingstechnologie genaamd afterglow imaging te testen. Dit is een alternatief voor fluorescentie beeldvorming-gebaseerde operaties, waarbij het licht dieper doordringt in de tumoren en langer zichtbaar blijft. Belangrijk, want dit geeft chirurgen meer tijd om tumoren zo nauwkeurig mogelijk te verwijderen.
Afterglow imaging wordt dan ook gezien als een veelbelovende beeldvormingstechnologie. Voordat het echter op brede schaal inzetbaar is, is meer onderzoek nodig. Normaliter vindt dit onderzoek plaats met behulp van dierproeven. Srivastava wijst er echter op dat testen op muizen onbetrouwbaar zijn door verschillen in huid en weefsels van mensen en muizen.
‘Muizen zijn niet het beste model voor deze studies’
“Zoals je kunt verwachten, is de huid van muizen heel dun – slechts een paar millimeter – terwijl het bij mensen heel anders is omdat we lagen vet, spieren en weefsels hebben die daadwerkelijk de prestaties van het beeldvormende middel kunnen beïnvloeden”, legt Srivastava uit. “Dus muizen zijn eigenlijk niet het beste model voor deze studies.”
De nieuwe 3D-modellen kunnen uitkomst bieden. Ze omvatten alle elementen die in menselijke tumoren aanwezig zijn en bootsen de tumoren hierdoor nauwkeurig na. Dit maakt het mogelijk testen zo realistisch mogelijk uit te voeren. Tegelijkertijd zijn er minder dierproeven nodig.
Veel goedkopere alternatief dan dierproeven
“Als een nanodeeltje of een beeldvormend middel door de kunstmatige tumor gaat, kan het die omgeving nabootsen en zullen de optische signalen worden beïnvloed zoals bij menselijke patiënten”, meldt Srivastava. “Dit is een veel goedkoper alternatief dan dierproeven, omdat je het vaker kunt doen om statistische significantie te krijgen.”
De modellen zijn onder leiding van Srivastava ontwikkeld door Asma Harun, een promovendus in de werktuigbouwkunde, en Nate Bendele, een voormalige student biochemie. Andere leden van het lab die bij het onderzoek betrokken waren zijn studentonderzoekers in de biochemie Isabella Vasquez en Jonathan Djuanda, evenals promovendus in de werktuigbouwkunde Hasnat Rashid. Het project omvatte ook samenwerkingen met andere labs van de Texas Tech University en de Texas Tech University Health Sciences Center.
Zoektocht naar een beter bindmiddel
Het team verzamelde anderhalf jaar lang data met behulp van de modellen. Op basis hiervan publiceerde de onderzoekers een paper in American Chemical Society, ACS Nano. Momenteel zoekt Srivastava naar een bindmiddel dat beter presteert dan gelatine en kan omgaan met temperatuurschommelingen tijdens het verschepen van de modellen.
Ook wil Srivastava een manier ontwikkelen om tumorcellen langer in leven te houden in de 3D-fantoommodellen. “Zodra deze cellen in het fantoommodel zitten, beginnen ze langzaam af te sterven”, licht Srivastava toe. “Wat we proberen te doen is een phantom te hebben waarin de tumorcellen binnenin wekenlang in leven blijven. Dan probeer je eigenlijk een levende tumor te beeldvormen en dat geeft je meer optische informatie die nuttig kan zijn voor een chirurg.”
‘Ik denk dat mensen muizenstudies te veel hebben gebruikt’
Srivastava wijst erop dat de Amerikaanse Food en Drugs Administration (FDA) zich steeds meer richt op mensgerichte onderzoeken. Hij verwacht dat de 3D-fantoommodellen hierin een belangrijke rol kunnen spelen. “Ik denk dat mensen muizenstudies te veel hebben gebruikt, tenminste vanuit het oogpunt van het tonen van hun nanoprobes voor chirurgie,” aldus assistent-professor.
“De belangrijkste prioriteit zou uiteindelijk moeten zijn hoe dicht het werk bij daadwerkelijk klinisch gebruik staat. Ik denk dat in gevallen zoals chirurgische navigatie mijn studies meer mensgericht zijn omdat we de optische uitdagingen proberen aan te pakken waaraan deze beeldvormende middelen worden blootgesteld. We houden eigenlijk rekening met hoe deze technologie zich zou gedragen wanneer je het in een operatiezaal gebruikt.”
