Ett nytt medicinskt instrument, för detektion av prostatacancer

Ett nytt medicinskt instrument, som kombinerar laserspektroskopi med resonanssenorteknik, för detektion av prostatacancer.

Prostatacancer är den mest förekommande cancerformen bland män i Europa och USA och endast lungcancer och kolorektal cancer orsakar fler dödsfall bland europeiska män. Sedan 1995 har antalet dödsfall till följd av prostatacancer ökat med 16% i Europa, och i vår åldrande befolkning förväntas förekomsten att öka ytterligare. Mätning av halten prostata-specifikt antigen (PSA) i blod är idag det vanligaste sättet att detektera prostatacancer, men metoden är inte helt tillförlitlig. En hög koncentration av PSA pekar på cancer, men PSA kan vara förhöjt även om prostatan är normal. Dessutom har många män med låg PSA-halt prostatacancer.

Bakgrund

 Än idag är den vanligaste metoden för att påvisa cancer i vävnad histopatologi, vilket innebär att sjukliga vävnadsförändringar fastställs in vitro (utanför den levande organismen) med mikroskop. Om PSA-halten är förhöjd utförs en biopsi (tagning och undersökning av vävnadsprov) för att fastställa om patienten har cancer. Vid en biopsi sticks en nål in i prostatan och ett vävnadsprov tas med då nålen dras ut.

I figur 1 visas histopatologiska snitt av cancerös och frisk prostatavävnad. Histopatologi är en tidskrävande metod som fordrar kunnig personal som förmår utföra biopsin och tolka resultaten korrekt. Dessutom kan den vara problematisk att använda vid vissa situationer, speciellt för prostatacancer. Tumörer i prostatan går oftast inte att lokalisera med vare sig palpering eller någon kommersiellt tillgänglig avbildningsmetod, som t.ex. ultraljud eller magnetkamera.
Palpering av prostatan innebär att läkaren via patientens ändtarm undersöker prostatavävnadens hårdhet med sina fingrar. Läkaren letar efter förhårdnader; tumörer är vanligtvis hårdare än den friska vävnaden. Eftersom det sällan kan fastställas var en eventuell tumör sitter är det dessvärre nödvändigt att ta biopsier från flera ställen av prostatan. Det är vanligt att en föreliggande cancer förbises; det har uppskattats att detta inträffar vid 3 av 10 biopsi-undersökningar. Biopsierna är väldigt små och utgör mindre än 1/1000 av prostatans volym, vilket förklarar varför många tumörer missas.
Europeiska riktlinjer rekommenderar att 10-12 biopsier tas. Att ta fler vävnadsprov har inte visat sig öka tillförlitligheten. Smärtan hos patienterna, risken för komplikationer, såsom infektioner, och kostnaden ökar ju fler biopsier som tas.

Ett stort problem med prostatacancer är att dagens metoder inte kan skilja farliga och ofarliga tumörer åt. Eftersom borttagning av prostatan är en riskfylld operation, med impotens som vanlig biverkning, så är det onödigt att operera män som har tumörer som växer långsamt eller inte alls. Fler män dör med prostatacancer än av prostatacancer. Å andra sidan är det mycket viktigt att identifiera snabbväxande tumörer, som hotar patientens liv om de inte tas bort. Tyvärr behandlas många män med aggressiva tumörer för sent idag.

Fig 1. Cancerös respektive frisk prostatavävnad.

En ny metod för att upptäcka prostatacancer

För att komma till rätta med dessa problem håller vi nu på att utveckla ett nytt instrument för att detektera och diagnostisera cancer i olika vävnader in vivo (i den levande organismen), i första hand prostatacancer. Det är tänkt att bli ett handhållet, lätthanterligt instrument som med hög tillförlitlighet ska kunna upptäcka cancer och andra typer av vävnadsförändringar i patienten. Instrumentet kommer att kombinera två detektionstekniker, detta för att den diagnostiska träffsäkerheten skall öka och för att även kunna ge kompletterande information om vilken typ av cellförändring det rör sig om. Vår idé är att använda oss av en resonanssensor, med vars hjälp vi kan avgöra hur hård en vävnad är på olika ställen, i kombination med en fiberoptisk Ramanprobe, vilken förser oss med information om den molekylära cellförändringen. Kombinationen av de två metoderna i ett instrument utgör ett lovande alternativ till metoden med multipla biopsier som används idag.

Ramanspektroskopi är en ljusbaserad metod där man belyser provet med laserljus. Ljuset interagerar med provet vilket leder till en färgförändring av det spridda ljuset. Spektrumet av färger som reflekteras tillbaks från provet ger information om provets molekylära sammansättning. Ramantekniken är mycket användbar för att detektera cancerösa vävnadsförändringar hos människan, detta har fastslagits i många studier. Cancerös prostatavävnad kan identifieras då bl.a. innehållet av DNA, kolesterol och kolin ökar, medan exempelvis oljesyrahalten minskar. Ramanspektroskopi är mycket lovande för att särskilja farliga och ofarliga tumörer. Nyligen visade det sig att en Ramansensor kunde avslöja en cancersvulst, vilken läkarna inte kunde se, i bröstet på en patient som opererades. Nackdelen med Raman är att laserljuset kan orsaka uppvärmning, uttorkning och fotoinducerade förändringar av vävnaden; hur mycket vävnaden påverkas beror på laserns våglängd och effekt.

Fig.2 Fiberoptiska proben

Tack vare stöd från Kempestiftelsen har vi nyligen kunnat köpa in en av världens tunnaste fiberoptiska Ramanprober, se figur 2, och ett högkvalitativt Ramanspektroskop. Den är endast 0,8 mm tunn och levererar spektra av hög kvalitet. 

Fig.3 Ramanspektrum av grisprostata

Ett exempel på ett spektrum av grisprostata som uppmätts med denna probe visas i figur 3. Intensitetsförhållandet mellan de två markerade topparna vid 1448 och 1661 cm-1 har visats indikera om vävnaden är frisk eller cancerös för många olika cancertyper, t.ex. bröst- och hjärncancer. Vi har även tillgång till ytterligare en fiberoptisk probe av samma modell som är 1,2 mm tunn, samt en Raman mikrospektrometer med vars hjälp vi kan undersöka vävnadens mikroskopiska egenskaper. Principen för detta instrument visas i figur 4.

Fig.4 Principen för en Raman-mikrospektrometer.
Fig.5 Närbild av den fiberoptiska Raman proben (vänster) och mikroresonanssensorn (höger), innan mätning på grisprostataprov.

Med stöd av Kempestiftelsen så har vi även haft möjligheten att köpa in ett mikro-resonanssensorsystem. Denna resonanssensor gör det möjligt för oss att mäta vävnadens styvhet på mikronivå. Sensorns spets är en hårfin glassnål, vars yttersta spets är en glaskula med en diameter på endast 50 mikrometer, se figur 5. Till detta resonanssensorsystem har vi lagt till en Ramanprobe, se figur 6, vilket gör detta system världsunikt.

Fig.6 Uppställning för kombinationsmätning med Ramanspektroskopi och mikroresonanssensor på ett prov av grisprostata.

Resonanssensorns huvudkomponent är en piezoelektrisk keram som kan sättas i svängning, ungefär som en vibrerande gitarrsträng, med hjälp av en elektrisk krets, se figur 7. Den svänger med en särskild frekvens, den s.k. resonansfrekvensen, som ändras när sensorhuvudet kommer i kontakt med t.ex. vävnad. Frekvensförändringen är ett mått på materialets styvhet. Tumörer kan avslöjas då dessa normalt är hårdare än frisk mjuk vävnad. Undersökningar gjorda av våra kollegor vid Umeå universitet visar att resonanssensorn förmår att särskilja tumörer och frisk prostatavävnad av typen som kallas epitel, vilket är en relativt mjuk vävnadstyp i prostatan. I nuläget kan metoden inte särskilja tumörer från naturliga förhårdningar, såsom prostatastenar (se figur 1). Cancer utvecklas dock vanligtvis i den bakre delen av prostatakörteln, vilken innehåller en stor andel mjuk epitelvävnad. En förhårdnad i detta område kan således indikera cancer. Förutsättningarna verkar med andra ord mycket goda för att kunna detektera prostatacancer in vivo med resonanssensorn.

Fig.7 Principen för resonanssensorn.

Kombinationen av de båda teknikerna kan minimera nackdelarna som de enskilda metoderna har. Den tänkta sensorn kan göras relativt liten, sammantaget kan vi få ett instrument som ser ut ungefär som en penna med en sladd i ena änden. Den tunna Ramanproben kan gjutas in i ett cylinderformat ihåligt resonanselement. Instrumentet kan bli till stor nytta bl.a. vid operationer av cancer, för att kirurgerna ska kunna avlägsna hela cancern men minimalt med frisk vävnad. Tillämpningarna för ett instrument som kombinerar resonans- och Ramanteknologi är otaliga. Ur medicinsk synvinkel kan potentiellt stora delar av den mänskliga kroppen undersökas. Föreställ er t.ex. hur kraftfullt ett gastroskop (långt böjbart instrument som används för att titta in i magsäcken) utrustat med denna teknik skulle bli. Instrumentets mångsidighet kan säkerligen utnyttjas för många ändamål även utanför den medicinska sektorn.

Hand i hand med experiment kommer vi att utveckla matematiska algoritmer för att kunna analysera och ställa säkra diagnoser utifrån erhållna mätdata. Algoritmerna ska automatiskt kunna detektera cancerös vävnad. Detta projekt är unikt, och vi har patenterat idén att kombinera resonanssensorer med Ramanspektroskopi.

Resultat

Mätningar på grisprostatavävnad med Ramanspektroskopi
Vi har studerat prostatavävnad från slaktavfall från icke-kastrerade grisar för att göra våra inledande studier. Resultaten vi erhållit på grisprostata är mycket lika publicerade data på människoprostata, och visar god spektral upplösning och reproducerbarhet. Det är tydligt att prostatavävnad är inhomogen, spektra skiljer sig åt beroende på vilken vävnadstyp vi mäter på. Proven ska helst vara nedsänkta i fysiologisk koksaltlösning under förvaring i kylskåp och då mätningarna utförs, för att en mer naturlig miljö för vävnaden ska erhållas. Det förhindrar att vävnaden torkar ut, vilket ger upphov till spektrala förändringar.

Undersökning av hur närinfrarött laserljus påverkar vävnad
För att tillförlitliga resultat ska erhållas med Ramanspektroskopi är det viktigt att veta att vävnaden inte skadas av laserbestrålningen. Vi har undersökt hur det närinfraröda laserljuset (830 nm våglängd) vi använder påverkar grisprostatavävnad. Raman mikrospektrometern användes för detta ändamål. Vi visade att inga förändringar av Ramansignalen kan urskiljas under 5 min laserbestrålning med full effekt. Däremot såg vi en minskning av den spektrala bakgrunden med ökad bestrålningstid, vilket sannolikt beror på att fluorescenta partiklar i vävnaden ”bleks”, d.v.s. de förlorar sin förmåga att fluorescera efter en stunds belysning. Men det betyder inte att vävnaden skadas, vår slutsats är att laserbestrålningen från den laser vi använder är skonsam mot vävnaden.

Är snabbfrysning av vävnad i flytande kväve en bra förvaringsmetod?
Många forskare använder nedfrysning av vävnad i flytande kväve och därefter förvaring i -80 grader som en preserveringsmetod. Man antar då att vävnad som tinats upp är opåverkad av processen och jämförbar med färsk vävnad. Det finns dock inte så många studier som bekräftar detta, och ingen som undersökt prostatavävnad. Därför har vi kontrollerat om Ramanmätningar på färsk grisprostatavävnad skiljer sig från mätningar på grisprostatavävnad som varit nedfryst. Vävnaden frystes ner m.h.a. flytande kväve och förvarades sedan i -80 grader. Resultatet av denna studie visar att efter vävnaden varit nedfryst och därefter tinas upp, uppvisar den små men statistiskt säkerställda skillnader jämfört med färsk vävnad. Framförallt verkar det som att proteinstrukturen förändras. Detta är viktig information för forskare som använder snabbfrysning av vävnad som preserveringsmetod.

Mätningar med både fiberoptisk Ramanspektroskopi och resonanssensorteknologi
Vi har utfört mätningar där både fiberoptisk Ramanspektroskopi samt resonanssensorteknologi används för att mäta på samma prov. Vår fiberoptiska Ramanprobe användes tillsammans med en Venustron® resonanssensor. De båda instrumenten ställdes upp bredvid varandra, och ett datorstyrt XYZ-bord användes för att säkerställa att båda mätte på samma punkter. Sidfläsk användes som ett modellsystem för dessa mätningar. Resonanssensormätningarna visade att fettet i två av de undersökta sidfläskbitarna var hårdare än övriga vävnadstyper. Ramandata visade att detta fett innehöll relativt mycket mättade fettsyror. Från Ramandatan var det också möjligt att urskilja fler grupper av vävnad än med resonanssensorn. Resultaten visar att Ramanproben adderar värdefull information till mätningar med resonanssensorn, vilket är lovande för utvecklingen av ett kombinerat instrument.

Vi har utfört mätningar på grisprostata med vår kombination av mikroresonanssensor och Ramanspektroskopi. De kombinerade mätresultaten analyserades av en statistisk klassificerare, en stödvektormaskin (SVM). Tre histologiskt identifierade vävnadstyper kunde särskiljas. Vi har också gjort våra första mätningar på human prostatavävnad med denna metod. Cancerös vävnad kunde då särskiljas från frisk vävnad.

Sammangjutning av Ramanprobe och resonanssensor
Förstudier kring sammangjutning av Ramanproben och resonanssensorn har genomförts. Tidigare instrument med resonanselement har använt kautschuk, ett gummiliknande silikon, för att gjuta fast elementet och det verkar vara ett lämpligt material även för denna applikation. Under förstudien användes stålrör med samma diameter som Ramanproberna, istället för den befintliga Ramanutrustningen. Slutsatsen var att sensorelementets frekvensegenskaper påverkas endast i måttlig grad då ett tunt stålrör samt en mindre mängd kautschuk används.

Fortsatta studier

Vi kommer att fortsätta studera hur de båda metoderna bäst ska kombineras.  En resonanssensor med inbyggd Ramanprobe kommer att konstrueras. Den nya prototypen och de matematiska metoderna för klassificering av vävnad kommer att utvärderas genom fler mätningar.

Kontaktperson:Professor Olof Lindahl

Publicerad: 22 april 2006

Uppdaterad: 13 mars 2009

Luleå tekniska universitet