Development of Magnetomotive Ultrasound Imaging

Abstract: Popular Abstract in Swedish Ju tidigare man kan upptäcka sjukdomskopplade förändringar i kroppen, desto större är chansen att bli frisk och överleva sjukdomen. Molekylär avbildning är ett nytt forskningsfält som vuxit fram de senaste årtiondena som svarar mot detta önskemål. Målet är att så tidigt som möjligt kunna avbilda de förändringar som ger upphov till sjukdomen, snarare än att som idag, avbilda effekterna av dem (t ex förändringar i anatomi eller i blodflöde). Målsökande molekyler, så som exempelvis antikroppar, binds in till ett kontrastmedel som i sin tur binder in till exempelvis tumörvävnad. På så sätt kan förändringar som sker på en cellulär eller molekylär nivå tidigt i sjukdomsprocessen detekteras. Tekniken förväntas ha stor betydelse inom t.ex. cancerdetektion, individanpassad behandling, läkemedelsutveckling samt för att få förståelse för hur sjukdomar som cancer uppkommer. Medicinska avbildningstekniker som MRI, PET och optiska tekniker har utvecklats mest då det gäller molekylär avbildning, medan utvecklingen för ultraljud inte varit lika stark. Anledning till detta är att ultraljudskontrastmedel idag består av mikrometerstora bubblor som p.g.a. sin storlek är begränsade till att befinna sig i blodbanan och därför inte kan användas för att avbilda och detektera processer utanför denna. Bubblorna tenderar att släppa från de ställen de fäst in till då kraften från blodflödet drar loss dem, vilket försvårar detektionen av sjukdomsdrabbade områden. Ultraljud är den avbildningsteknik som används mest inom sjukvården idag. Tekniken är lättillgänglig, billig, helt ofarlig och bilderna visas direkt på skärmen istället för att man skapar dem i efterhand som man gör med de flesta andra avbildningstekniker. Ska molekylär avbildning bli en del i rutinundersökningarna i framtidens sjukvård bör ultraljud vara med som en av standard-avbildningsteknikerna inom området. För att kunna komma runt problemen med kontrastmedelsbubblorna är nya ultraljudstekniker under utveckling. Denna avhandling behandlar en sådan ny ultraljudsmetod; magnetomotorisk ultraljudsavbildning. Då det här doktorandarbetet påbörjades hade tekniken mer eller mindre precis presenterats och teknikens möjligheter var outforskade. Istället för att använda sig av mikrobubblor används magnetiska järnoxid-nanopartiklar som kontrastmedel i magnetomotorisk ultraljudsavbildning. Samma typ av nanopartiklar används idag som MRI-kontrastmedel och partiklarna är lagom stora för att kunna användas för molekylär avbildning. Dock är partiklarna för små för att avbildas med ultraljud, men genom att förflytta dem med ett magnetfält skapar man en rörelse i partiklarnas omgivning som går att detektera med ultraljud. En matematisk metod, en algoritm, som kan filtrera ut denna rörelse och undertrycka andra rörelsestörningar har utvecklas och algoritmen kan visa var partiklarna finns i form av färg i den i övrigt svartvita ultraljudsbilden. Den magnetomotoriska tekniken och den utvecklade algoritmen undersöktes först grundligt i ett plastmaterial som har samma materialegenskaper som mänsklig vävnad (så kallade fantomstudier). Detta gjordes för att se hur rörelsen från de magnetiska järnoxid-nanopartiklarna betedde sig då olika parametrar, så som styrkan på magnetfältet och dess frekvens, ändrades. För att få ännu bättre förståelse för vad som påverkade rörelsen byggdes en modell av den experimentella uppställningen i ett datorprogram. Därefter jämfördes resultaten från datamodellen med resultaten från den experimentella modellen. För att utforska möjligheten att kunna använda den nya ultraljudstekniken i sjukvården så undersöktes sedan om järnoxid-nanopartiklar i lymfnoder, eller mer specifikt i portvaktkörteln, gick att detektera i råttor. Lymfnoder är en del av lymfsystemet som har till uppgift att dränera överflödig vätska, lymfa, från kroppens vävnader och att föra den tillbaka till blodsystemet. Lymfnoderna sitter i grupper längs med lymfkärlsnätverket i vilket lymfan färdas och de har till uppgift att filtrera lymfan från mikroorganismer och andra små partiklar. Portvaktskörtlen är den första lymfnoden som dränerar tumörer hos cancerformer som sprids via lymfsystemet, exempelvis bröstcancer och malignt melanom (hudcancer). Om cancern har spridit sig är sannolikheten över 99 % att det finns cancerceller i portvaktskörtlen. Därför är det viktigt att hitta denna och undersöka den. Djuren i studierna i den här avhandlingen var råttor som injicerades med nanopartiklar i ena baktassen. Lymfnoden i knäet som dränerade injektionsstället, filtrerade ut nanopartiklarna från lymfan så att de samlades upp i lymfnoden. Därefter undersöktes djuren med magnetomotoriskt ultraljud. Resultaten från både fantomstudierna och djurstudierna har sett mycket lovande ut. Även om rörelsestörningarna från t.ex. hjärtslag och andning hos djuren har varit mer än 150 gånger större än nanopartikelrörelsen så har algoritmen klarat av att filtrera ut denna och tydligt kunnat visa vart partiklarna har befunnit sig. I studierna som ingått i den här avhandlingen har inte några antikroppar eller andra molekyler som kan binda in till sjukdomsdrabbade områden använts, utan det är teknikens kapacitet som har testats. Genom att koppla inbindningsmolekyler till järnoxid-nanopartiklarna skulle en ny dimension av möjligheter och tillämpningar kunna öppnas upp i morgondagens vård.