Apprendre de la nature

La nouvelle caméra améliore considérablement les caméras d'aujourd'hui qui sont approuvées par la Food and Drug Administration (FDA) des États-Unis pour la visualisation des marqueurs fluorescents pendant la chirurgie. De nombreuses caméras dans le proche infrarouge existantes n'ont pas la sensibilité nécessaire pour détecter les marqueurs de fluorescence dans des contextes chirurgicaux, les lumières de la pièce doivent donc être tamisées pour voir la fluorescence.

Un autre problème avec les imageurs infrarouges d'aujourd'hui est que l'image de fluorescence n'est pas toujours précisément alignée, ou coenregistré, avec le tissu dont il est issu. Cela se produit parce que les instruments approuvés par la FDA utilisent plusieurs éléments optiques, tels que les séparateurs de faisceaux et les lentilles relais, séparer les longueurs d'onde visible et infrarouge, afin que chacun puisse être envoyé à des détecteurs séparés. De légers changements de température dans la pièce peuvent affecter l'optique de ces instruments, provoquant des défauts d'alignement de l'image qui pourraient amener un chirurgien à manquer de tissu cancéreux tout en supprimant inutilement un problème sain.

"Nous avons réalisé que les problèmes des imageurs infrarouges d'aujourd'hui pouvaient être atténués en utilisant des nanostructures similaires à celles du papillon morpho, " dit Missael Garcia, chercheur post-doctoral à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et auteur principal de l'article. "Leurs yeux composés contiennent des photorécepteurs situés les uns à côté des autres, de sorte que chaque photorécepteur détecte différentes longueurs d'onde de lumière d'une manière intrinsèquement co-enregistrée."

La nouvelle caméra utilise une configuration similaire à l'œil de papillon en entrelaçant diverses structures nanométriques avec un réseau de photodétecteurs, permettant la collecte d'informations sur la couleur et la fluorescence proche infrarouge sur un seul appareil d'imagerie. L'intégration du détecteur et de l'optique d'imagerie dans un seul capteur monolithique maintient l'appareil petit, peu coûteux et insensible aux changements de température.

La conception résout de manière unique le problème de sensibilité en permettant à chaque pixel d'absorber le nombre de photons nécessaires pour construire une image. Il ne faut pas longtemps pour créer l'image visuelle de longueur d'onde pour visualiser l'anatomie puisque l'éclairage visible dans le laboratoire est élevé. D'autre part, parce que la fluorescence est généralement faible, il faut plus de temps pour collecter un nombre suffisant de photons pour construire une image suffisamment lumineuse. En modifiant le temps d'exposition pour permettre à chaque pixel de détecter les photons dont il a besoin, une image de fluorescence lumineuse peut être créée sans surexposer l'image couleur du tissu.

Essais précliniques et cliniques

Les chercheurs ont testé leur nouvel instrument sur un modèle murin qui développe un cancer du sein spontané. Cela signifie que l'emplacement exact où le cancer se développera est inconnu, tout comme le nombre de cellules cancéreuses. En utilisant des marqueurs fluorescents qui se lient aux cellules cancéreuses, les chercheurs ont montré que leur imageur bioinspiré permettait la détection de tumeurs avec une précision et une sensibilité dépassant les caméras infrarouges de pointe approuvées par la FDA pour la chirurgie guidée par image.

Les chercheurs ont également testé la capacité de leur caméra infrarouge à identifier les ganglions lymphatiques chez 11 patientes atteintes d'un cancer du sein à la Washington University School of Medicine à St. Louis. Parce que les ganglions lymphatiques sont l'un des principaux endroits où le cancer du sein se propage, les chirurgiens les vérifient pour déterminer le stade du cancer. Les patients ont reçu une injection de colorant fluorescent vert d'indocyanine approuvé par la FDA qui s'accumule passivement dans les ganglions lymphatiques, puis les images de fluorescence de l'imageur bioinspiré ont été affichées sur un écran ou projetées sur des lunettes portées par les chirurgiens.

"Nous avons montré que sous des lumières chirurgicales vives, notre instrument était 1000 fois plus sensible à la fluorescence que les imageurs actuellement homologués pour la chirurgie guidée par image infrarouge, " a déclaré Gruev. "Parce que l'imageur bioinspiré peut révéler une fluorescence qui est profondément dans le tissu, il a accéléré le processus d'identification des ganglions lymphatiques et a aidé les chirurgiens à trouver des ganglions lymphatiques qui ne pouvaient pas être vus par la seule vue."

Selon les chercheurs, l'imageur bioinspiré serait utile pour éliminer divers types de cancers, y compris les mélanomes, cancer de la prostate et cancers de la tête et du cou. En raison de sa petite taille, il pourrait également être intégré dans un endoscope pour rechercher un cancer lors d'une coloscopie, par exemple.

"Un grand avantage de notre instrument est sa taille compacte, " a déclaré Garcia. " Nous avons testé notre instrument dans un hôpital où l'espace était restreint et nous avons constaté qu'il n'empiétait pas sur le flux de travail chirurgical. "

Les chercheurs forment maintenant une start-up pour commercialiser leur imageur bioinspiré et travaillent également avec la FDA pour concevoir un essai clinique dans lequel les chirurgiens peuvent comparer les décisions cliniques prises avec le nouvel imageur avec celles qui seraient prises avec l'approbation de la FDA. imageurs.