Ứng dụng kĩ thuật chụp ảnh quang-âm trong chẩn đoán ung thư

Các kĩ thuật chẩn đoán hình ảnh giữ vai trò quan trọng trong sàng lọc, chẩn đoán và điều trị ung thư. Trong đó, kĩ thuật chụp ảnh quang-âm (photoacoustic therapy) là phương pháp chẩn đoán dựa trên khả năng hấp thụ ánh sáng của mô, tích hợp với khả năng phân giải không gian của sóng siêu âm. Đây là kĩ thuật không xâm lấn, không sử dụng bức xạ ion hóa nên có độ an toàn cao.

Nguyên lí

Kĩ thuật chụp ảnh quang-âm hoạt động dựa trên hiện tượng hấp thụ ánh sáng của mô. Kĩ thuật này sử dụng ánh sáng xung (ánh sáng phát ra trong khoảng vài nano giây thành nhiều đợt) hoặc ánh sáng cận hồng ngoại (có bước sóng trong khoảng 600–1000 nm) nhằm tạo ra sóng siêu âm. Khi sóng siêu âm lan truyền qua mô, chúng ít bị tán xạ và hấp thụ hơn so với sóng ánh sáng khả kiến hay ánh sáng cận hồng ngoại thông thường. Nhờ đó, đầu dò có thể ghi nhận tín hiệu và tái tạo hình ảnh bên trong mô chính xác theo thời gian thực.

Các mô trong cơ thể chứa nhiều sắc tố nội sinh như melanin, nước, chất béo, oxyhemoglobin và deoxyhemoglobin với phổ hấp thụ ánh sáng khác nhau. Khi cơ thể mắc bệnh, hàm lượng các thành phần này có thể thay đổi. Kĩ thuật chụp ảnh quang-âm định lượng những chất này nhằm phát hiện các biến đổi bất thường giữa mô bệnh so với mô khỏe mạnh.

Tuy nhiên, nhiều chất có khả năng hấp thụ kém trong vùng ánh sáng cận hồng ngoại. Trong những trường hợp này, người ta cần sử dụng thêm các sắc tố ngoại sinh hay còn gọi là chất nhuộm tương phản nhằm cải thiện chất lượng hình ảnh.

Chất tương phản cần được lựa chọn dựa trên những đặc điểm sau:

• Kích thước
• Hình dạng
• Độc tích
• Độ ổn tính
• Tính chất hoá học bề mặt
• Phân tử mục tiêu

Hiện nay, một số thuốc nhuộm đã được phê duyệt nhằm mục đích sử dụng trên người như indocyanine green, evans blue và methylene blue. Ngoài ra, người ta cũng sử dụng các vật liệu nano như hạt nano đồng sulfide, thanh nano vàng, giọt nano hay ống nano carbon.

Qui trình thực hiện

Bác sĩ đặt đầu dò truyền xung ánh sáng tại vị trí cần siêu âm. Các chùm tia laser phát ra từ đầu dò lan truyền vào trong mô. Khi đó, những phân tử tại mô mục tiêu hấp thụ năng lượng ánh sáng rồi chuyển đổi thành năng lượng nhiệt. Nhiệt độ tăng cao dẫn đến hiện tượng giãn nở đàn hồi cục bộ, tạo các sóng siêu âm lan truyền xung quanh. Sóng siêu âm này có thể được phát hiện bằng đầu dò siêu âm. Cuối cùng, toàn bộ tín hiệu dữ liệu được máy tính ghi nhận và xử lí thành hình ảnh theo thời gian thực.

Ứng dụng

Phát hiện ung thư dựa vào độ tương phản của các sắc tố nội sinh

Kĩ thuật chụp ảnh quang-âm có nhiều tiềm năng trong phát hiện, quan sát và theo dõi khối u cũng như hệ mạch máu quanh khối u. Đối với ung thư hắc tố, liệu pháp dựa trên những khác biệt về nồng độ melanin giữa khối u và mô bình thường để tạo ra độ tương phản trong hình ảnh chụp mô. Ngoài ra, kĩ thuật chụp ảnh quang-âm có thể dựa vào mật độ mạch máu để phát hiện ung thư vú do hệ mạch quanh khối u ác tính dày đặc và hỗn loạn hơn bình thường. Ngoài ra, liệu pháp này còn hỗ trợ theo dõi quá trình hình thành mạch máu mới và đo độ bão hòa oxy máu trong mô khối u.

Hiện nay, người ta đang tiếp tục nghiên cứu kĩ thuật này nhằm ứng dụng phát hiện các tế bào ung thư tuần hoàn trong máu, từ đó nguy cơ di căn có thể được chẩn đoán và điều trị sớm.

Phát hiện ung thư dựa vào độ tương phản của các sắc tố ngoại sinh

Độ nhạy của kĩ thuật chụp ảnh quang-âm có thể được cải thiện thông qua các chất tương phản ngoại sinh. Đặc biệt, một số chất tương phản không chỉ tăng cường tín hiệu mà còn cung cấp thông tin về những phân tử đặc hiệu trên khối u và vi môi trường xung quanh.

Một vài cải tiến trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng chất tương phản ngoại sinh trong kĩ thuật chụp ảnh quang-âm bao gồm:

Hạt nano vàng

Những hạt này gắn với thụ thể của yếu tố tăng trưởng biểu mô (Epithelial Growth Factor Receptor – EGFR) trên bề mặt khối u. Trong các nghiên cứu nuôi cấy mô hoặc cơ quan sống ngoài cơ thế, người ta ghi nhận kĩ thuật chụp ảnh quang-âm đa bước sóng có khả năng theo dõi tương tác giữa hạt nano vàng với tế bào đích với độ chính xác cao.

Đầu dò quang học đặc hiệu

Nhiều nghiên cứu đã ứng dụng thành công đầu dò nhắm vào enzyme MMP-2, đây là protein có biểu hiện tăng cao trong nhiều loại ung thư ác tính. Nhờ đó, phương pháp này có thể phát hiện sớm khối u có khả năng xâm lấn mạnh với độ nhạy và độ đặc hiệu cao hơn đầu dò thông thường.

Hệ nano kết hợp

Một số loại vật liệu nano đặc biệt được sử dụng nhằm tăng độ tương phản của hình ảnh xét nghiệm trong nhiều kĩ thuật chẩn đoán hình ảnh khác nhau. Chẳng hạn, nanowonton với cấu trúc lõi coban mang từ tính và lớp vỏ vàng có độ tương thích sinh học cao có thể được sử dụng đồng thời trong chụp cộng hưởng từ và chụp ảnh quang-âm.

Kết hợp với các phương pháp chẩn đoán hình ảnh khác

Những đánh giá về cấu trúc, chức năng, hoạt động chuyển hóa của khối u với độ chính xác cao là yếu tố quan trọng trong điều trị ung thư. Kĩ thuật chụp ảnh quang-âm chủ yếu cung cấp hình ảnh dựa trên độ tương phản quang học của các thành phần mô nhưng không thể hiện đầy đủ cấu trúc tổng thể của khối u. Vì vậy, bác sĩ có thể kết hợp chụp ảnh quang-âm với các kĩ thuật xét nghiệm hình ảnh khác nhằm nâng cao khả năng chẩn đoán và theo dõi bệnh.

Siêu âm

Kĩ thuật siêu âm bổ sung thông tin chi tiết về cấu trúc giải phẫu của khối u và vi môi trường xung quanh.

Chụp cắt lớp quang học

Hình ảnh 3D kết hợp giữa chụp cắt lớp quang học và kĩ thuật chụp quang-âm có thể cho thấy hoạt động tuần hoàn trong các mạch máu nhỏ.

Siêu âm đàn hồi

Kĩ thuật siêu âm đàn hồi cung cấp thông tin về cấu trúc khối u, quá trình hình thành mạch máu và những biến đổi trong tính đàn hồi của mô khối u.

Chụp ảnh huỳnh quang

Trong nghiên cứu ung thư não trên động vật, người ta sử dụng kĩ thuật chụp ảnh quang-âm nhằm thu nhận hình ảnh về quá trình hình thành mạch mới trong khối u kết hợp với chụp ảnh huỳnh quang nhằm xác định chính xác vị trí khối u.

Siêu âm từ động

Kĩ thuật siêu âm từ động có thể bổ sung thông tin về chuyển động mô nhằm hỗ trợ các đánh giá về đặc tính cơ học của mô.

Các ứng dụng khác trong điều trị ung thư

Kĩ thuật chụp ảnh quang-âm không chỉ có nhiều tiềm năng trong chẩn đoán mà còn hỗ trợ quá trình điều trị ung thư thông qua định vị và đánh giá độ phân bố của thuốc điều trị cũng theo dõi những thay đổi về cấu trúc, chức năng mô.

Ưu điểm

Kĩ thuật chụp ảnh quang-âm có thể thu nhận dữ liệu về cả cấu trúc mô học và chức năng sinh học nên giữ vai trò quan trọng trong đánh giá vi môi trường khối u. Trong khi các kĩ thuật xét nghiệm hình ảnh truyền thống có một số hạn chế về khả năng quan sát sâu bên trong mô (vài mm), kĩ thuật chụp ảnh quang-âm có thể cho thấy đến vài cm bên trong mô với độ phân giải cao. Hơn nữa, kĩ thuật này có tốc độ chụp nhanh, cho kết quả theo thời gian thực nhưng không gây xâm lấn, do đó rất an toàn và phù hợp với nhiều ứng dụng lâm sàng. Ngoài ra, kĩ thuật chụp ảnh quang-âm có thể kết hợp với các phương pháp điều trị nhằm hỗ trợ định vị khối u khi sinh thiết, phẫu thuật cũng như theo dõi hiệu quả điều trị ung thư trong quá trình hóa trị hoặc xạ trị.

Thách thức

Nhiều yếu tố nội sinh có thể ảnh hưởng chất lượng hình ảnh của kĩ thuật chụp ảnh quang-âm. Chẳng hạn, các loại mô có đặc điểm khác nhau, khả năng tán xạ ánh sáng và hấp thụ không đều dẫn đến sai lệch trong định lượng các thông số sinh lí như nồng độ hemoglobin hay độ bão hòa oxy. Ngoài ra, qui trình chuẩn hóa hệ thống thiết bị và thuật toán tái tạo hình ảnh vẫn chưa đồng bộ. Hơn nữa, chi phí cao và yêu cầu tích hợp với các hệ thống hình ảnh khác cũng là rào cản cho các kế hoạch triển khai rộng rãi.

Lời kết

Kĩ thuật chụp ảnh quang-âm hỗ trợ chẩn đoán, điều trị ung thư nhờ khả năng kết hợp các ưu điểm của cả kĩ thuật chụp ảnh quang học và siêu âm, từ đó cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao về cấu trúc, chức năng và đặc tính phân tử của mô. Kĩ thuật này có thể phát hiện những thay đổi nhỏ trong hoạt động hình thành mạch máu, phân bố oxy và các dấu ấn sinh học liên quan đến quá trình phát triển của khối u. Tuy nhiên, liệu pháp này vẫn còn nhiều hạn chế như giới hạn về độ sâu thâm nhập mô, chi phí cao cũng như yêu cầu kĩ thuật phức tạp, do đó cần thêm nhiều nghiên cứu và cải tiến để có thể ứng dụng rộng rãi trong lâm sàng.