"Эласто-спектроскопия" для диагностики онкологических заболеваний

В Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) разработан не имеющий аналогов в мире метод оптической когерентной эластографии и на его основе создан прибор для диагностики онкологических заболеваний и оценки эффективности различных препаратов для противораковой химиотерапии. Эффективность метода подтверждена врачами Приволжского исследовательского медицинского университета.

Российские исследователи из Института прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) совместно с биомедиками из Приволжского исследовательского медицинского университета (ПИМУ) разработали не имеющий аналогов в мире метод сегментирования морфологических компонент гетерогенных биотканей на основе оптической когерентной эластографии (ОКЭ).

"На мировом рынке пока недоступны оптические когерентные томографы подобные разработанному в ИПФ РАН прибору с функцией ОКЭ. В исследовательских целях за рубежом обычно используют многократно более дорогие высокоскоростные установки, необходимые для оценки модуля Юнга по измерению скорости сдвиговых или поверхностных/изгибных волн; при этом из-за трудностей учета частотной зависимости данные разных авторов часто расходятся в разы. Разработанный в ИПФ квазистатический компрессионный подход исключает частотную зависимость модуля и обеспечивает в несколько раз более высокое разрешение, чем волновые варианты. Не имеет аналогов и развитый в ИПФ метод приведения ОКЭ-данных к стандартизированному давлению, оптическим датчиком которого является тонкая силиконовая прослойка между зондом и тканью. Без такой стандартизации невозможно корректно сравнивать результаты для реальных сильно гетерогенных и нелинейных биотканей," - поясняет заведующий лабораторией доктор физико-математических наук Владимир Юрьевич Зайцев, возглавляющий исследования.

Развитый ОКЭ-метод использует оригинальный алгоритм анализа изменений фазы серии оптических изображений, получаемых в ходе деформирования биоткани зондом оптического когерентного томографа (в пределах биологически безопасного уровня деформации порядка нескольких процентов) для детального картирования модуля Юнга в исследуемой области. Ее размеры порядка нескольких миллиметров латерально и 1-2 мм в глубину сравнимы с размерами срезов, используемых при гистологическом исследовании, считающемся в медицине "золотым стандартом". Прицельное сопоставление стандартных гистологических срезов и ОКЭ-изображений той же области выявило, что различным морфологическим компонентам ткани на ее ОКЭ-изображении соответствуют хорошо разделяющиеся диапазоны характерных значений упругого модуля. Используя эти характерные диапазоны, удается автоматизировано выполнять морфологическое сегментирование ОКЭ-изображений, получая очень высокую (>95%) корреляцию площадей соответствующих морфологических компонент на гистологических и сегментированных ОКЭ-изображениях. Принцип такой сегментации по упругим свойствам можно назвать "эласто-спектроскопией" по аналогии с термином "масс-спектроскопия". Новый метод имеет высокую чувствительность и разрешение, позволяя, например, в области жизнеспособной опухоли обнаружить небольшие (размером порядка 10 клеток) зоны раковых клеток с необратимой дистрофией. ОКЭ-сегментация требует нескольких минут и может выполняться in vivo или применяться непосредственно к свежеизвлеченным образцам ткани, тогда как стандартные гистологические исследования требуют взятия биопсийных образцов с последующим выполнением трудоемких и времязатратных (обычно более 3 дней) процедур приготовления срезов и их интерпретаций гистопатологом. В отличие от других обсуждаемых в качестве альтернативны гистологическому исследованию методов, предназначенных для выделения 1-2 морфологических компонент ткани (например, коллаген/эластин), ОКЭ-метод позволяет уверенно сегментировать сразу несколько (4-6 типов) морфологических компонент.

Эффективность нового метода подтверждена проведенным совместно с исследователями из ПИМУ сравнением с данными гистологии более чем 150 образцов рака груди в контексте определения чистой границы удаляемой опухоли (одной из важнейших задач в ходе таких операций) и экспресс-оценивания ее морфологического/молекулярного статуса, что важно для выбора дальнейшей тактики лечения. Беспрецедентная чувствительность выполняемой in vivo ОКЭ-сегментации и высокая корреляция с результатами стандартной морфометрии гистологических срезов продемонстрированы в экспериментах на животных в ходе исследований эффективности различных препаратов для противораковой химиотерапии. Помимо онкологических и иных применений, где важно выполнять сегментирование подобное гистологическому, развитые в ИПФ РАН ОКЭ-технологии открывают недоступные ранее возможности при исследовании биомеханики тканей (в частности, уже получены не имеющие аналогов в мире результаты для роговицы глаза и хрящевой ткани).