Handheld two-photon microscopy for intra-operative cancer margin assessment

Massachusetts Institute Of Technology, Cambridge MA

Investigators

Abstract

PROJECT SUMMARY   Cancer is the second leading cause of mortality in the United States, resulting in 596,000 deaths in 2016 alone1.  In  particular,  approximately  one  in  eight  women2  and  one  in  seven  men3  will  be  diagnosed  with  breast  and  prostate cancer, respectively, during his or her lifetime. Unfortunately, positive margins in radical prostatectomy  (RP) and lumpectomy are strongly correlated with local reoccurrence that necessitates secondary treatment4?10.  For  both  diseases,  formalin  fixed,  paraffin  embedded  (FFPE)  histology  is  the  gold  standard  for  margin  assessment, but its application is limited to post-­operative evaluation. Frozen section analysis (FSA) allows intra-­ operative margin assessment, but its sensitivity is generally poor compared to FFPE histology due to sampling  limitations  and  artifacts  associated  with  FSA  processing11?20.  The  inability  of  surgeons  to  confirm  the  completeness of tumor resections intra-­operatively could lead to local reoccurrence and secondary treatments  that are associated with increased risk and cost to the patient. Two photon microscopy (TPM) has demonstrated  promise  for  rapid  cancer  margin  assessment21?26  because  it  enables  visualization  of  nuclear  size  and  density,  reorganization of the surrounding extracellular matrix and other important hallmarks of cancer analogous to those  present in FFPE histology27. Unfortunately, the majority of previous TPM systems employed table-­top scanners  that restricted imaging to dissected, ex vivo specimens.   We propose the development of an ultra-­compact, multimodal handheld TPM probe for video rate imaging  and assessment of cancer margins. The handheld TPM probe will leverage optimized staining protocols and real  time  virtual  H&E  rendering  to  assess  the  surface  margins  of  resected  specimens  prior  to  dissection  and  with  minimal preparation. Handheld TPM imaging of the surface margin directly would overcome sampling limitations  inherent  to  FSA,  which  typically  generates  histological  sectioning  planes  that  sample  only  a  thin  slice  of  the  surface margin. Towards future in vivo surgical guidance applications, handheld TPM will also enable video rate  fluorescence  lifetime  microscopy  (FLIM)  with  simultaneous  detection  of  intrinsic  second  harmonic  generation  (SHG)  for  imaging  with  molecular  specificity  but  without  the  need  for  staining.  This  technology  would  be  transferable  to  in  vivo  assessment  of  the  surgical  cavity,  which  can  only  be  accessed  with  a  handheld  probe.  The diagnostic utility of handheld TPM will be assessed on resected breast and prostate specimens using both  extrinsic  and  intrinsic  contrast  and  compared  to  the  clinical  standard  of  FFPE  histology.  Handheld  TPM  with  rapid staining and virtual H&E could be a viable adjunct to post-­operative histology that would enable real time  intra-­operative assessment of resected specimens. Handheld TPM imaging with FLIM / SHG could yield intrinsic  biomarkers that would be directly transferable to in vivo image-­guided surgical applications.