Kunstigt intelligenssystem baseret på Raman-spektroskopi ved inflammatorisk tarmsygdom

1. BAGGRUND OG RATIONALE Inflammatoriske tarmsygdomme (IBD) er kroniske inflammatoriske lidelser, der kan kategoriseres som colitis ulcerosa (UC), Crohns sygdom (CD) og ubestemmelig colitis (IC). UC er karakteriseret ved kronisk slimhindebetændelse, der starter distalt i endetarmen, med kontinuerlig forlængelse proksimalt i en variabel afstand, ofte med en brat afgrænsning mellem betændt og ikke-betændt slimhinde. CD er karakteriseret ved diskontinuerlige segmenter af kronisk granulomatøs inflammation, der kan være transmural, og involvere tyndtarmen ud over tyktarmen, samt den øvre mave-tarmkanal.1 Udtrykket IC bruges, når det er svært at skelne mellem UC og CD. UC, CD og IC er kroniske, progressive og invaliderende tilstande. Behandlingen skal gå ud over symptomkontrol og sigte mod at behandle endoskopiske/makroskopiske læsioner med det endelige mål at forhindre strukturelle skader og handicap og derved forbedre langsigtede kliniske resultater. Selvom endoskopisk remission er det nuværende behandlingsmål, tyder nye data på, at opnåelse af dyb remission med histologisk remission, snarere end blot endoskopisk remission, kan give yderligere fordele. Almindelig anvendte endoskopiske sværhedsgradssystemer, der korrelerede godt med klinisk og biologisk aktivitet, omfatter den modificerede Mayo Endoscopic score6 og Ulcerative Colitis Endoscopic Severity Index (UCEIS) for UC og Crohns endoskopiske sværhedsgradsindeks (CDEIS) og Simplified Endoscopic Activity Score for Crohns sygdom (SES-CD) for CD. Inter-observatør variation er dog stadig en væsentlig begrænsning for disse visuelle scores. Derudover kan der også være mangel på overensstemmelse mellem endoskopisk og histologisk remission. IBD-patienter med langvarig colitis er i risiko for at udvikle dysplasi og kolorektal cancer (CRC). Flere case-kontrolstudier og populationsbaserede kohortestudier har vist, at endoskopisk overvågning forbedrer CRC-relateret overlevelse hos IBD-patienter med øget risiko for tyktarmskræft. Endoskopisk overvågning anbefales bredt af internationale gastrointestinale selskaber til tidlig påvisning og resektion af dysplasi eller CRC. Men i modsætning til ikke-IBD-patienter kan det være udfordrende at diagnosticere dysplasi hos IBD-patienter under koloskopi, da dysplasi ofte manifesterer sig som ikke-pedunkulerede læsioner, der kun viser sig med subtile synlige ændringer eller endda er usynlige på grund af den omgivende betændelse, ardannelse, pseudopolypper eller hyperplasi. Selvom high definition hvidt lys endoskopi og kromoendoskopi er den nuværende standard modalitet for billeddannelse, er der stadig et hul, der skal bygges bro over, hvad angår forbedring af endoskopisk diagnose af dysplasi og forbedring af overensstemmelse mellem endoskopisk og histologisk remission.

Raman-spektroskopi er en uelastisk lysspredningsteknik, der er i stand til at give specifikke spektroskopiske fingeraftryk af molekylære sammensætninger og strukturer af biologiske væv. Når lysenergi falder ind på et væv, absorberes lysenergien og spredes efterfølgende. Meget af energien spredes elastisk, men en lille mængde (<1%) spredes uelastisk. En sådan uelastisk spredning kaldes Raman-spredning og måles ved bølgelængdeforskydninger, der er forbundet med forskellige molekylære sammensætninger. For eksempel svarer spektralområder på 850 - 1150, 1200 - 1500 og 1600 - 1750 cm-1 til signaler relateret til henholdsvis proteiner, nukleinsyrer og lipider. Kræftvæv er forbundet med højere metabolisk hastighed og dermed forskellig molekylær sammensætning fra ikke-kræftvæv. Ved at undersøge vævets Raman-spektre, som også fungerer som et bio-fingeraftryk, kan efterforskerne identificere, om vævet er kræftfremkaldende eller ikke-kræftfremkaldende. Raman-spektroskopi er blevet rapporteret til kolorektalt vævskarakterisering og diagnose ex vivo. Molckovsky et al anvendte en endoskopkompatibel Raman-sonde til differentialdiagnose mellem adenom og hyperplastisk polyp in vivo, men vævs-ramanspektre var begrænset til det såkaldte fingeraftryk (FP)-område (dvs. 800-1800 cm-1), og optagelsestiden var lang (>5 s), hvilket var upraktisk for rutinemæssige kliniske endoskopiske undersøgelser. Den diagnostiske effektivitet af FP Raman-spektroskopi kan blive kompromitteret hos patienter på grund af iboende meget svage Raman-vævssignaler og overvældende vævsautofluorescens (AF) af de indre organer. Ud over kolorektal neoplasi er Raman-spektroskopi blevet undersøgt i forbindelse med IBD i småskala ex-vivo og in-vivo undersøgelser, med lovende resultater med hensyn til differentiering af slimhindeheling og inflammation, og differentierer UC fra CD. undersøgelser står over for de lignende begrænsninger som studierne i kolorektal neoplasi, især med hensyn til praktiske muligheder for effektiv in vivo diagnose. Nylig opmærksomhed har været rettet mod brugen af ​​højbølgetal (HW) regime (f.eks. 2800-3600 cm-1), da HW spektralområde udviser stærkere vævs Raman-signaler, mens de har mindre baggrundsinterferens fra både vævs-AF og fiberoptiske prober . Der er flere begrundelser for at kombinere FP- og HW Raman-teknikkerne til in vivo-vævs-Raman-målinger: (i) For væv, der kunne udvise intens AF, der overvælder vævets FP Raman-signaler, kan HW-området stadig indeholde intense vævs-Raman-toppe til vævsdiagnose; (ii) FP- og HW Raman-spektrene tilbyder komplementær biomolekylær information, og en kombination af FP/HW Raman-teknik kan forbedre vævskarakterisering og diagnose. For ganske nylig er et nyt 785-nm excitations-raman-endoskop af anden generation, der samtidigt kan måle både FP Raman-spektre (dvs. 800-1800 cm-1) og højbølgetal (HW) (dvs. 2800-3600 cm-1) Raman spektre i realtid (< 0,5 s) til forbedring af in vivo vævskarakterisering og diagnose under koloskopi blev udviklet. Den samtidige FP/HW Raman-teknik er integreret med en 1,8 mm endoskop-kompatibel fiberoptisk Raman-sonde koblet med en safirkuglelinse til at sondere biomolekylære signaturer fra undergrunden af ​​kolorektalt væv forbundet med dysplasi. Dette er blevet brugt til at skabe SPECTRA IMDx-systemet, som udspørger væv på cellulært niveau og bruger molekylær information til at give læger brugbar information in vivo i realtid under koloskopi. SPECTRA IMDx består af et lasersystem, et spektrometer, en computer med en analysealgoritme installeret og andre hjælpedele. SPECTRA IMDx-sonden er forbundet med hovedsystemet. SPECTRA IMDx-sonden er en samling af optiske fibre og optiske komponenter arrangeret til maksimal transmission af lysenergi. Når det er i brug, vil lasersystemet udsende en 785nm nær infrarød laser, der vil blive transmitteret gennem SPECTRA IMDx-sonden til den distale ende. Når laseren aflæses på en vævsoverflade, absorberes og reflekteres lysenergien. Den reflekterede energi opsamles derefter fra den distale ende af SPECTRA IMDx-sonden, transmitteres tilbage til hovedsystemet og passerer gennem spektrometeret. Det indsamlede signal behandles derefter for at opnå det rene Raman-signal til diagnostisk klassificering.

Der er i øjeblikket mangel på data vedrørende anvendelsen af ​​denne nye teknologi i forbindelse med IBD. Specifikt om de genererede spektrale signaler kan bruges til bedre at klassificere sygdomsremission og dermed opnå højere overensstemmelse med histologi sammenlignet med standard endoskopi. Det er også uklart, om denne teknologi kan bruges til at differentiere dysplastisk slimhinde fra ikke-dysplastisk slimhinde hos IBD-patienter.

Oversigt Dette er en prospektiv observationsundersøgelse af alle personer med IBD (CD, UC eller IC), der gennemgår koloskopi over en 24-måneders periode. Arbejdsgangen er opsummeret i figur 2. Informeret samtykke vil blive taget af investigator før studietilmelding. Individets deltagelse i denne undersøgelse vil kun vare varigheden af ​​koloskopiproceduren, som er omkring 30 til 45 minutter. Forsøgspersoner vil ikke være forpligtet til at foretage et yderligere besøg på hospitalet for undersøgelsen.

Tarmforberedelse og endoskopisk procedure Før koloskopi skal forsøgspersonerne rense tyktarmen ved hjælp af tarmforberedelse i henhold til standard klinisk praksis. Koloskopi udføres med eller uden sedation efter endoskopistens og patientens skøn. Under processen med koloskopi, som udføres ved hjælp af et high definition endoskopisystem med eller uden supplerende kromoendoskopi, kan der tages biopsier af tyktarmsslimhinden enten for at vurdere tilstanden af ​​sygdomsaktivitet eller for at afklare arten af ​​en påvist fokal læsion, som kunne være ikke-neoplastiske, såsom hyperplastiske eller post-inflammatoriske polypper, eller neoplastiske, såsom IBD-associeret dysplasi eller sporadisk kolorektal neoplasi. Fundene for colon ascendens, transversal colon, descendens colon, sigmoid colon og rektum vil blive registreret separat. Læsioner kan også fjernes ved hjælp af en snare. Forud for enten de tilsigtede biopsier af hver region eller forud for endoskopisk polypektomi, vil SPECTRA IMDx-sonden blive indsat gennem koloskopets arbejdskanal for at komme i kontakt med slimhindeoverfladen for at indsamle Raman-signalerne. Biopsier opnås derefter og mærkes således, at de erhvervede Raman-signaler kan korreleres med histologiens guldstandard til oprettelse af diagnostiske klassifikatorer. Der vil ikke blive placeret procedurer på lydbånd, film/video eller andre elektroniske medier som en del af studiekravet. Endoskopiresultater vil blive registreret i standard elektronisk medicinsk rapportformat. Endoskopi- og histologiresultater vil blive transskriberet til patientens caserapport og afidentificeret.

Sværhedsgraden af ​​slimhindebetændelse Klassifikationssystemer til endoskopisk vurdering af sygdomsaktivitet er blevet offentliggjort.31 For UC og IC vil sværhedsgraden af ​​sygdomsaktivitet blive beskrevet baseret på Mayo Endoscopic Subscore6 og UCEIS. UCEIS er blevet valideret.

For CD afhænger definitionen af ​​endoskopisk sygdoms sværhedsgrad ikke kun på sværhedsgraden af ​​slimhindebetændelse, og scoringssystemer såsom Crohns sygdom Endoscopic Index of Severity (CDEIS) og Simple Endoscopic Score for Crohns sygdom (SES-CD) inkorporerer andre komponenter som f.eks. som sygdomsfordeling og tilstedeværelsen af ​​luminal indsnævring som en del af vurderingen. Både CDEIS og SES-CD er validerede scoringssystemer. Til dette studie, da forskningsinteressen udelukkende er på vurdering af slimhindebetændelse, vil de deskriptorer, der anvendes til slimhindeinvolvering, blive brugt, baseret på SES-CD, og ​​slimhindeheling vil blive defineret som fravær af slimhindesår.

Fokale flade eller polypoide læsioner Morfologien af ​​påviste overfladiske læsioner, der er mistænkelige for enten hyperplasi eller dysplasi, vil blive beskrevet ved hjælp af den opdaterede Paris-klassifikation (tabel 3, figur 3).32 En fastsiddende læsion har en lodret højde på >2,5 mm, mens højden for let forhøjet læsion er < 2,5 mm. For en udgravet læsion er dybden > 1,2 mm, hvorimod den er mindre end 1,2 mm for let nedtrykt læsion. Biopsipincet placeret på langs ved siden af ​​læsionen er en nyttig referencestandard (diameteren med lukkede kæber er 2,5 mm, mens diameteren af ​​en enkelt kæbe er 1,2 mm). Den estimerede størrelse, farve og marginer af læsionen med vil blive beskrevet. Den endoskopiske diagnose vil blive dokumenteret.

Dokumentation af histologisk fund Histologisk sværhedsgrad af slimhindebetændelse Der er offentliggjort klassifikationssystemer til histologisk vurdering af sygdomsaktivitet. For UC eller IC vil dette blive vurderet ved hjælp af Nancy Histological Index. Grad 0 og 1 definerer histologisk remission, 2 definerer mild aktiv sygdom, 3 definerer moderat aktiv sygdom og 4 definerer svært aktiv sygdom. Nancy-indekset er blevet valideret.

For CD vil dette blive vurderet ved hjælp af et scoringssystem, der tidligere er udviklet af IBD-forskningsgruppen i Leuven, Belgien. Dette scoringssystem er ikke blevet valideret, selvom det er meget brugt til forskning.

Fokale flade eller polypoide læsioner WHO-klassifikationen for kolorektale takkede læsioner og polypper og Riddell-systemet til klassificering af IBD-associeret dysplasi vil blive brugt. IBD-associeret dysplasi defineres som en utvetydig neoplastisk ændring af colonepitelet. Det skal understreges, at et sådant dysplastisk epitel ikke kun kan være en markør eller forløber for carcinom, men også kan være ondartet og forbundet med direkte invasion i det underliggende væv. Denne definition er analog med definitionen af ​​dysplasi i adenomer i tyktarmen i fravær af IBD, i neoplastiske læsioner i resten af ​​mave-tarmkanalen og i andre epitel. Dysplasi identificeres på basis af en kombination af mikroskopiske træk, herunder 1) arkitektonisk ændring, der overstiger den, der er resultatet af reparation ved kronisk colitis, der ofte ligner kirtelarrangementet af adenomer, og 2) cytologiske abnormiteter, primært cellulær og nuklear pleomorfisme, nuklear hyperkromatisme, tab af nuklear polaritet og markant lagdeling af kerner.