Kijken naar kanker

Natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology (MIT in Boston hebben een methode ontwikkeld waarmee kankercellen in een vroeg stadium kunnen worden opgespoord. Daarvoor gebruiken ze alleen een lamp, een detector en een endoscoop. Subtiele moleculaire veranderingen in cellen worden aan het licht gebracht met een klassiek fysisch principe: lichtverstrooiing. Rajan Gurjar en zijn collega's van het MIT Laser Biomedical Research Center hebben de effectiviteit van hun methode inmiddels aangetoond bij patiëntenonderzoek op darm- en slokdarmkanker. Tijdens de onlangs gehouden bijeenkomst van de American Physical Society in Minneapolis vertelde Gurjar over de spectaculaire vooruitgang die het afgelopen jaar is geboekt.

Kanker ontstaat veelal in het epitheel, een dunne laag cellen waarmee alle weefsels in ons lichaam zijn bekleed. Ver voordat de kankercellen daadwerkelijk gaan uitgroeien, worden daar de eerste tekenen zichtbaar. Er ontstaan veranderingen in celstructuren die met de term dysplasie aangeduid worden. De kankercellen in wording delen zich sneller dan normale lichaamscellen, zodat hun kernen gemiddeld meer chromatine-DNA en -eiwit bevatten en daardoor groter zijn. Bovendien zijn ze ook optisch dichter, vertonen ze een grotere diversiteit aan vormen en afmetingen en liggen ze niet netjes op elkaar gestapeld. Gurjar: ``Helaas zijn al die veranderingen voor het blote oog onzichtbaar. Om dysplasie te kunnen opsporen moet er een stukje weefsel worden weggehaald. Pas na fixatie en kleuring kan een patholoog onder de microscoop vaststellen of er inderdaad afwijkend weefsel aanwezig is.''

Gurjar en zijn begeleider Michael Feld waren er echter van overtuigd dat ze ook al in het lichaam zelf, via endoscopie en zonder biopsie, de minieme verschillen zouden kunnen onderscheiden tussen gewoon en afwijkend weefsel, met behulp van de optische techniek waarmee in de natuurkunde van oudsher deeltjeseigenschappen kunnen worden gemeten: lichtverstrooiing. Afhankelijk van hun samenstelling, grootte en aantal verstrooien kleine deeltjes het licht namelijk net een beetje anders. Zo is verstrooiing niet alleen verantwoordelijk voor het heldere wit van wolken, maar even goed voor de blauwachtig opkringelende rook van een sigaret of een felrode zonsondergang. Lichtstralen die op het epithelium vallen worden vooral sterk verstrooid door de optische dichte celkernen, die met een diameter van vijf tot tien duizendste millimeter veel groter zijn dan de golflengte van het zichtbare licht. Door de kleur en intensiteit van dit direct verstrooide licht te bestuderen, kan informatie worden verkregen over de deeltjes-de celkernen-die voor de verstrooiing verantwoordelijk waren. Het overige licht dringt dieper het weefsel binnen, waar het wordt geabsorbeerd, of na wat omzwervingen (diffusie) terugkeert aan het oppervlak. Daarmee vormt het een ongewenste achtergrond van het werkelijke signaal. Gujar en zijn collega's ontwikkelden twee methoden om deze achtergrond kwijt te raken. In de eerste plaats kan het verstrooiingsproces goed worden gemodelleerd. Dat maakt het mogelijk om via wiskundige trucs het gewenste signaal op te peppen. Dat is echter niet voldoende. Om de achtergrond helemaal kwijt te raken is het essentieel dat bij het `bestralen' gepolariseerd licht wordt gebruikt, dat wil zeggen, lichtgolven die allemaal in één richting trillen. Nadat deze zijn verstrooid, is hun polarisatierichting gedraaid, hetgeen op zich extra informatie verschaft over de aard van de verstrooiende deeltjes. Het licht dat daarentegen pas na een lange weg door de diepere lagen weer opduikt, is zijn polarisatiegeheugen kwijt. Daardoor kan het goed worden onderdrukt.

In een eerste serie experimenten kon Gujar in het laboratorium duidelijk onderscheid maken tussen gewoon darmweefsel en kankerweefsel. Gujar: ``Uit onze metingen werd duidelijk dat de kernen van kankercellen twee keer zo groot waren, een grotere spreiding in afmetingen vertoonden en ook optisch dichter waren. Vervolgens zijn we gestart met klinische experimenten waarbij we het licht van een xenonlamp via een glasfiber in een endoscoop in de darmen en slokdarm konden brengen. We deden onderzoek bij patiënten die voor routineonderzoek bij de specialist langskwamen. Direct na het opnemen van het verstrooide licht, werd op dezelfde plaats een stukje weefsel weggenomen. Dat werd later door een patholoog onderzocht en beoordeeld.'' De door hem als verdacht aangemerkte monsters verschilden allemaal duidelijk van de niet-verdachte door hun verstrooiingseigenschappen. Toch was voor Gujar de meting nog altijd niet volmaakt. Elke keer kon immers maar een klein stukje weefsel-van ongeveer een vierkante millimeter-tegelijk worden bekeken.

Daarom ontwikkelde hij een geavanceerder afbeeldingssysteem waarmee een veel groter stuk met de fiber kan worden belicht. Om ook daarin de gebieden met afwijkende cellen te kunnen onderscheiden, worden met een speciale camera via verschillende kleurfilters opnamen gemaakt. Door beelden op te nemen bij verschillende polarisatierichtingen, en die in de computer te manipuleren kan de ruimtelijke verdeling van potentieel kwaadaardige cellen over een gebied van een vierkante centimeter in een keer worden opgenomen. Bovendien kan met dezelfde opstelling ook eenvoudig worden ingezoomd. In het laboratorium werden stukjes weefsel zowel met behulp van de optische probe als met behulp van kleuring onderzocht en de overeenkomsten waren opnieuw uitstekend. Klinische tests moeten nu uitwijzen of het inderdaad mogelijk is om een snel en vooral objectief oordeel te verkrijgen over de noodzaak van verdere behandeling. Gurjar: ``Wanneer dysplasie al in een vroeg stadium met behulp van lichtverstrooiing wordt vastgesteld, worden de overlevingskansen van patiënten behoorlijk vergroot.''