Systém umělé inteligence založený na Ramanově spektroskopii u zánětlivých střevních onemocnění

1. SOUVISLOSTI A ODŮVODNĚNÍ Zánětlivá onemocnění střev (IBD) jsou chronická zánětlivá onemocnění, která lze kategorizovat jako ulcerózní kolitidu (UC), Crohnovu chorobu (CD) a neurčitou kolitidu (IC). UC je charakterizována chronickým slizničním zánětem začínajícím distálně v rektu, s kontinuální extenzi proximálně na různou vzdálenost, často s náhlým ohraničením mezi zanícenou a nezanícenou sliznicí. CD je charakterizováno nespojitými segmenty chronického granulomatózního zánětu, který může být transmurální a zahrnuje kromě tlustého střeva také tenké střevo a také horní gastrointestinální trakt.1 Termín IC se používá, když je obtížné rozlišit mezi UC a CD. UC, CD a IC jsou chronické, progresivní a invalidizující stavy. Léčba musí jít nad rámec kontroly symptomů a zaměřit se na léčbu endoskopických/makroskopických lézí s konečným cílem zabránit strukturálnímu poškození a invaliditě, a tím zlepšit dlouhodobé klinické výsledky. Ačkoli je současným cílem léčby endoskopická remise, nové údaje naznačují, že dosažení hluboké remise s histologickou remisí, spíše než jen endoskopická remise, může přinést další výhody. Běžně používané endoskopické systémy závažnosti, které dobře korelují s klinickou a biologickou aktivitou, zahrnují modifikované Mayo Endoscopic skóre6 a index závažnosti endoskopické endoskopické ulcerózní kolitidy (UCEIS) pro UC a endoskopický index závažnosti Crohnovy choroby (CDEIS) a zjednodušené skóre endoskopické aktivity pro Crohnova choroba (SES-CD) pro CD. Rozdíly mezi pozorovateli však zůstávají významným omezením pro tato vizuální skóre. Kromě toho může také existovat nedostatek shody mezi endoskopickou a histologickou remisí. Pacienti s IBD s dlouhotrvající kolitidou jsou vystaveni riziku rozvoje dysplazie a kolorektálního karcinomu (CRC). Mnohočetné studie případové kontroly a populační kohortové studie ukázaly, že endoskopické sledování zlepšuje přežití související s CRC u pacientů s IBD se zvýšeným rizikem rakoviny tlustého střeva. Endoskopické sledování je široce doporučováno mezinárodními gastrointestinálními společnostmi pro časnou detekci a resekci dysplazie nebo CRC. Na rozdíl od pacientů bez IBD však může být obtížné diagnostikovat dysplazii u pacientů s IBD během kolonoskopie, protože dysplazie se často projevuje jako nestopkaté léze, které se projevují pouze jemnými viditelnými změnami nebo jsou dokonce neviditelné kvůli okolnímu zánětu, zjizvení, pseudopolypům nebo hyperplazie. Přestože endoskopie s vysokým rozlišením bílého světla a chromoendoskopie jsou současnou standardní modalitou zobrazování, stále existuje mezera, kterou je třeba překlenout, pokud jde o zlepšení endoskopické diagnostiky dysplazie a zlepšení shody endoskopické a histologické remise.

Ramanova spektroskopie je technika neelastického rozptylu světla, která je schopna poskytnout specifické spektroskopické otisky molekulárních složení a struktur biologických tkání. Při dopadu světelné energie na tkáň je světelná energie absorbována a následně rozptýlena. Velká část energie je rozptýlena elasticky, ale malé množství (<1 %) je rozptýleno neelasticky. Takový nepružný rozptyl se nazývá Ramanův rozptyl a měří se posuny vlnových délek, které jsou spojeny s odlišnými molekulárními složeními. Například spektrální rozsahy 850 - 1150, 1200 - 1500 a 1600 - 1750 cm-1 odpovídají signálům souvisejícím s proteiny, nukleovými kyselinami, respektive lipidy. Rakovinná tkáň je spojena s vyšší rychlostí metabolismu, a tedy s odlišným molekulárním složením od nerakovinné tkáně. Zkoumáním Ramanova spektra tkáně, které také slouží jako bio-otisk prstu, mohou vyšetřovatelé identifikovat, zda je tkáň rakovinná nebo nerakovinná. Ramanova spektroskopie byla popsána pro charakterizaci kolorektální tkáně a diagnózu ex vivo. Molckovsky et al aplikovali endoskopem kompatibilní Ramanovu sondu pro diferenciální diagnostiku mezi adenomem a hyperplastickým polypem in vivo, ale získaná tkáňová Ramanova spektra byla omezena na tzv. rozsah otisků prstů (FP) (tj. 800-1800 cm-1) a doba akvizice byla dlouhá (>5 s), což bylo nepraktické pro rutinní klinická endoskopická vyšetření. Diagnostická účinnost FP Ramanovy spektroskopie by mohla být u pacientů ohrožena kvůli skutečně velmi slabým tkáňovým Ramanovým signálům a převažující tkáňové autofluorescenci (AF) vnitřních orgánů. Kromě kolorektální neoplazie byla v kontextu IBD studována Ramanova spektroskopie v malých studiích ex vivo a in vivo se slibnými výsledky, pokud jde o diferenciaci hojení sliznic a zánětu a odlišení UC od CD. studie čelí podobným omezením jako studie kolorektální neoplazie, zejména s ohledem na praktičnost pro účinnou diagnostiku in vivo. Nedávná pozornost byla zaměřena na použití režimu vysokého vlnového čísla (HW) (např. 2800-3600 cm-1), protože HW spektrální rozsah vykazuje silnější tkáňové Ramanovy signály a zároveň má menší interferenci pozadí jak z tkáňového AF, tak ze sond z optických vláken. . Existuje několik důvodů pro kombinaci FP a HW Ramanových technik pro in vivo tkáňová Ramanova měření: (i) U tkání, které by mohly vykazovat intenzivní AF přehlušující tkáňové FP Ramanovy signály, by HW rozsah mohl stále obsahovat intenzivní tkáňové Ramanovy píky pro diagnostiku tkání; (ii) FP a HW Ramanova spektra nabízejí doplňkové biomolekulární informace a kombinace FP/HW Ramanovy techniky by mohla zlepšit charakterizaci a diagnostiku tkání. Velmi nedávno byl představen nový 785nm excitační Ramanův endoskop druhé generace, který dokáže současně měřit jak FP Ramanova spektra (tj. 800-1800 cm-1), tak vysoké vlnové číslo (HW) (tj. 2800-3600 cm-1) Raman byla vyvinuta spektra v reálném čase (< 0,5 s) pro zlepšení in vivo charakterizace tkáně a diagnózy během kolonoskopie. Simultánní FP/HW Ramanova technika je integrována s 1,8mm optickou Ramanovou sondou kompatibilní s endoskopem a spojenou se safírovou kuličkovou čočkou pro sondování biomolekulárních signatur z podpovrchu kolorektální tkáně spojené s dysplazií. To bylo použito k vytvoření systému SPECTRA IMDx, který dotazuje tkáň na buněčné úrovni a využívá molekulární informace k tomu, aby lékařům poskytoval informace in vivo v reálném čase během kolonoskopie. SPECTRA IMDx se skládá z laserového systému, spektrometru, počítače s nainstalovaným analytickým algoritmem a dalších pomocných částí. Sonda SPECTRA IMDx je připojena k hlavnímu systému. Sonda SPECTRA IMDx je sestava optických vláken a optických komponent uspořádaných pro maximální přenos světelné energie. Při použití bude laserový systém emitovat 785nm blízký infračervený laser, který bude přenášen přes sondu SPECTRA IMDx k distálnímu konci. Když je laser zkoumán na povrchu tkáně, světelná energie je absorbována a odražena. Odražená energie je poté sbírána z distálního konce sondy SPECTRA IMDx, přenášena zpět do hlavního systému a prochází spektrometrem. Shromážděný signál je poté zpracován pro získání čistého Ramanova signálu pro diagnostickou klasifikaci.

V současnosti je nedostatek údajů o aplikaci této nové technologie v kontextu IBD. Konkrétně, zda generované spektrální signály lze použít k lepší klasifikaci remise onemocnění, a tím dosáhnout vyšší shody s histologií ve srovnání se standardní endoskopií. Není také jasné, zda lze tuto technologii použít k odlišení dysplastické sliznice od nedysplastické sliznice u pacientů s IBD.

Přehled Toto je prospektivní observační studie všech subjektů s IBD (CD, UC nebo IC) podstupujících kolonoskopii po dobu 24 měsíců. Pracovní postup je shrnut na obrázku 2. Informovaný souhlas získá zkoušející před zařazením do studie. Účast subjektu v této studii bude trvat pouze dobu trvání kolonoskopického postupu, což je asi 30 až 45 minut. Od subjektů se nebude vyžadovat další návštěva nemocnice kvůli studii.

Příprava střeva a endoskopický postup Před kolonoskopií se od subjektů vyžaduje, aby vyčistili tlusté střevo pomocí přípravy střeva podle standardní klinické praxe. Kolonoskopie se provádí se sedací nebo bez sedace podle uvážení endoskopisty a pacienta. Během procesu kolonoskopie, který se provádí pomocí endoskopického systému s vysokým rozlišením s přídavnou chromoendoskopií nebo bez ní, lze získat biopsie sliznice tlustého střeva buď pro posouzení stavu aktivity onemocnění nebo pro objasnění povahy detekované fokální léze, která by mohla být nenádorové, jako jsou hyperplastické nebo pozánětlivé polypy, nebo neoplastické, jako je dysplazie spojená s IBD nebo sporadická kolorektální neoplazie. Nálezy pro vzestupný tračník, příčný tračník, sestupný tračník, sigmoidální tračník a konečník budou zaznamenány samostatně. Léze mohou být také resekovány pomocí smyčky. Před zamýšlenými biopsiemi každé oblasti nebo před endoskopickou polypektomií bude sonda SPECTRA IMDx zavedena pracovním kanálem kolonoskopu, aby došlo ke kontaktu s povrchem sliznice za účelem sběru Ramanových signálů. Poté se získají biopsie a označí se tak, že získané Ramanovy signály mohou být korelovány se zlatým standardem histologie pro vytvoření diagnostických klasifikátorů. Žádné postupy nebudou umístěny na audiokazetu, film/video nebo jiné elektronické médium jako součást studijního požadavku. Endoskopické nálezy budou zaznamenány ve standardním formátu elektronické lékařské zprávy. Výsledky endoskopie a histologie budou přepsány do formuláře kazuistiky pacienta a deidentifikace.

Závažnost zánětu sliznice Byly publikovány klasifikační systémy pro endoskopické hodnocení aktivity onemocnění.31 Pro UC a IC bude závažnost aktivity onemocnění popsána na základě Mayo Endoscopic Subscore6 a UCEIS. UCEIS byl ověřen.

U CD se definice závažnosti endoskopického onemocnění nespoléhá pouze na závažnost zánětu sliznice a skórovací systémy jako Endoskopický index závažnosti Crohnovy choroby (CDEIS) a Jednoduché endoskopické skóre pro Crohnovu chorobu (SES-CD) zahrnují další složky, jako je např. jako distribuce onemocnění a přítomnost zúžení lumina jako součást hodnocení. CDEIS i SES-CD jsou validované skórovací systémy. Pro tuto studii, protože výzkumný zájem je výhradně na hodnocení slizničního zánětu, budou použity deskriptory používané pro slizniční postižení na základě SES-CD a slizniční hojení bude definováno jako nepřítomnost slizniční ulcerace.

Fokální ploché nebo polypoidní léze Morfologie detekovaných povrchových lézí podezřelých z hyperplazie nebo dysplazie bude popsána pomocí aktualizované Pařížské klasifikace (tabulka 3, obrázek 3).32 Přisedlá léze má vertikální výšku > 2,5 mm, zatímco u mírně zvýšené léze je < 2,5 mm. U vyhloubené léze je hloubka > 1,2 mm, zatímco u mírně depresivní léze je menší než 1,2 mm. Bioptické kleště umístěné podélně vedle léze jsou užitečným referenčním standardem (průměr s uzavřenými čelistmi je 2,5 mm, zatímco průměr jedné čelisti je 1,2 mm). Bude popsána odhadovaná velikost, barva a okraje léze s. Endoskopická diagnóza bude dokumentována.

Dokumentace histologického nálezu Histologická závažnost slizničního zánětu Byly publikovány klasifikační systémy pro histologické hodnocení aktivity onemocnění. Pro UC nebo IC to bude hodnoceno pomocí Nancy Histologického indexu. Stupeň 0 a 1 definuje histologickou remisi, 2 definuje mírně aktivní onemocnění, 3 definuje středně aktivní onemocnění a 4 definuje těžce aktivní onemocnění. Nancy index byl ověřen.

U CD to bude hodnoceno pomocí bodovacího systému dříve vyvinutého výzkumnou skupinou IBD v Lovani v Belgii. Tento bodovací systém nebyl ověřen, ačkoli je široce používán pro výzkum.

Fokální ploché nebo polypoidní léze Bude použita klasifikace WHO pro kolorektální vroubkované léze a polypy a Riddellův systém pro klasifikaci dysplazie související s IBD. Dysplazie spojená s IBD je definována jako jednoznačná neoplastická změna epitelu tlustého střeva. Je třeba zdůraznit, že takový dysplastický epitel může být nejen markerem nebo prekurzorem karcinomu, ale může být sám o sobě maligní a spojený s přímou invazí do podkladové tkáně. Tato definice je analogická s definicí dysplazie u adenomů tlustého střeva v nepřítomnosti IBD, u neoplastických lézí zbytku gastrointestinálního traktu a u jiných epitelů. Dysplazie je identifikována na základě kombinace mikroskopických znaků, včetně 1) architektonických změn přesahujících ty, které jsou výsledkem opravy u chronické kolitidy, často připomínající glandulární uspořádání adenomů, a 2) cytologických abnormalit, především buněčný a jaderný pleomorfismus, jaderný hyperchromatismus, ztráta jaderné polarity a výrazná stratifikace jader.