Laser und KI ebnen den Weg für virtuelle Biopsien

Forscher an der Stanford Medicine haben eine nicht-invasive Methode zur Analyse möglicher Krebszellen entwickelt. Bei der sogenannten virtuellen Biopsie durchdringt ein Laser das Gewebe und erstellt eine hochauflösende dreidimensionale Rekonstruktion, aus der Querschnittsbilder erstellt werden können. Diese Bilder ähneln denen einer herkömmlichen Biopsie, bei der eine Gewebeprobe in dünne Schichten geschnitten und auf Objektträger gelegt wird, um sie unter dem Mikroskop zu untersuchen.

Die Methode, die in der April-Ausgabe von Science Advances veröffentlicht wurde, soll Gewebe nicht-invasiv auf abnorme Zellen untersuchen und schnelle Ergebnisse bei Biopsien an anderen Körperteilen liefern. Den Forschern zufolge könnte virtuelle Biopsie auch mehr Informationen bereitstellen als die derzeitigen Diagnoseverfahren.

„Wir haben nicht nur etwas geschaffen, das den derzeitigen Maßstab der pathologischen Objektträger für die Diagnose vieler Krankheiten ersetzen kann – wir haben auch die Auflösung der Untersuchungen erheblich verbessert. So können wir Informationen sammeln, die sonst nur sehr schwer zu bekommen wären“, erklärt Adam de la Zerda, PhD, außerordentlicher Professor für Strukturbiologie und Hauptautor des veröffentlichten Artikels. Die Methode wurde von Yonatan Winetraub entwickelt, einem ehemaligen Doktoranden in dem Labor, das la Zerda zuvor geleitet hatte.

Die Vision von Lasern

Wenn ein Dermatologe oder Chirurg eine Biopsie entnimmt – sei es aus der Haut, der Leber, der Brust oder einem anderen Organ – wird das Gewebe in der Regel an einen Pathologen geschickt. Anschließend schneidet er die Gewebeprobe in dünne Schichten und trägt reaktive Chemikalien auf jede Schicht auf, um Muster, Formen und Strukturen der Zellen leichter zu erkennen. Diese Objektträger werden routinemäßig zur Diagnose von Krebs und anderen Krankheiten verwendet und erfordern ein hohes Maß an Präzisionsarbeit. Der Grund: Wenn das Gewebe einmal in eine Richtung geschnitten wurde, lässt sich eine andere Ansicht (z. B. durch eine neue Schnittrichtung) nicht mehr herstellen.

Aus diesem Grund beschäftigt sich das Team von de la Zerda seit fast einem Jahrzehnt mit einer Technik aus dem Fachbereich von Augenärzten: der optischen Kohärenztomographie. Bei diesem Test wird gemessen, wie die Lichtwellen eines Lasers von einem Gewebe reflektiert werden, um eine Darstellung zu erzeugen – ähnlich wie bei Ultraschallgeräten.

Forscher haben die optischen Kohärenz-Scans so weiterentwickelt, dass die Technologie auch bei anderen Organen als dem Auge eingesetzt werden kann. Die Qualität der Bilder wurde im Laufe der Arbeit immer besser: Stetig mehr Details des Gewebes ließen sich erkennen, bis sie denen der konventionellen Methoden der Pathologen sehr ähnlich wurden.

„Alle Krankenhausärzte sind daran gewöhnt, herkömmliche pathologische Testergebnisse zu lesen. Daher war es wichtig, die Bilder der optischen Kohärenztomographie in etwas für sie Bekanntes zu übersetzen und nicht in eine völlig neue Art von Bildern“, sagt de la Zerda.

Auch KI darf nicht fehlen

Die Wissenschaftler setzten auch künstliche Intelligenz (KI) ein, um die digitalisierten Aufnahmen der optischen Kohärenztomografie in Bilder umzuwandeln, die denen von herkömmlichen Biopsie-Objektträgern ähneln. Der große Wert der Arbeit lag in der entwickelten Methode, die Paare von virtuellen und realen Biopsiebildern abgleicht – mit dem Ziel, Algorithmen für maschinelles Lernen zu trainieren, so die Forscher.

Als Test analysierten drei Stanford-Dermatologen zufällige Gruppierungen von realen und virtuellen Bildern und schafften es, zelluläre Strukturen mit einer ähnlichen Rate zu erkennen.

Wenn ein Arzt bisher einen ungewöhnlich aussehenden Fleck auf der Haut eines Patienten entdeckte, gab es zwei Möglichkeiten: abwarten und sehen, ob er wächst, oder ihn entfernen und an einen Pathologen schicken. Mit der virtuellen Biopsie gibt es nun eine dritte Möglichkeit: eine optische Kohärenztomographie sowie die Analyse der Bilder.

Auf die gleiche Weise entfernten Chirurgen bisher mögliche Brusttumore und schickten das Material an Pathologen. Diese mussten dann mehrere Tage auf das Ergebnis warten, um festzustellen, ob eine zweite Operation notwendig war, bei der der Sicherheitsabstand zu gesundem Gewebe vergrößert wird und weitere Krebszellen entfernt werden. Mit der virtuellen Biopsie, die von einer optischen Kohärenzkamera im Operationssaal erstellt wird, lässt sich diese Entscheidung in Zukunft sofort treffen.

Es gibt noch viel zu tun, um solche medizinischen Anwendungen voranzutreiben. Aber die Forscher sind zuversichtlich, dass hochtechnologisierte Ansätze den Ärzten einen neuen Weg ebnen, Biopsien durchzuführen.