Künstliches Intelligenzsystem basierend auf Raman-Spektroskopie bei entzündlichen Darmerkrankungen

1. HINTERGRUND UND BEGRÜNDUNG Entzündliche Darmerkrankungen (IBD) sind chronisch entzündliche Erkrankungen, die als Colitis ulcerosa (UC), Morbus Crohn (CD) und unbestimmte Colitis (IC) kategorisiert werden können. UC ist gekennzeichnet durch eine chronische Schleimhautentzündung, die distal im Rektum beginnt und sich proximal über eine variable Distanz ausdehnt, oft mit einer abrupten Abgrenzung zwischen entzündeter und nicht entzündeter Schleimhaut. CD ist gekennzeichnet durch diskontinuierliche Segmente einer chronischen granulomatösen Entzündung, die transmural sein können und neben dem Dickdarm auch den Dünndarm sowie den oberen Gastrointestinaltrakt betreffen.1 Der Begriff IC wird verwendet, wenn es schwierig ist, zwischen UC und CD zu unterscheiden. UC, CD und IC sind chronische, fortschreitende und behindernde Erkrankungen. Die Behandlung muss über die Symptomkontrolle hinausgehen und darauf abzielen, endoskopische/makroskopische Läsionen mit dem Endziel zu behandeln, strukturelle Schäden und Behinderungen zu verhindern und dadurch die langfristigen klinischen Ergebnisse zu verbessern. Obwohl die endoskopische Remission das derzeitige Behandlungsziel ist, deuten neue Daten darauf hin, dass das Erreichen einer tiefen Remission mit histologischer Remission und nicht nur einer endoskopischen Remission zusätzliche Vorteile bringen kann. Zu den häufig verwendeten endoskopischen Schweregradsystemen, die gut mit der klinischen und biologischen Aktivität korrelieren, gehören der modifizierte Mayo-Endoskopie-Score6 und der Ulcerative Colitis Endoscopic Index of Severity (UCEIS) für Colitis ulcerosa sowie der Crohn-Krankheits-Endoskopie-Schwereindex (CDEIS) und der Simplified Endoscopic Activity Score für Morbus Crohn (SES-CD) für CD. Allerdings bleibt die Variation zwischen den Beobachtern eine signifikante Einschränkung für diese visuellen Bewertungen. Darüber hinaus kann auch eine fehlende Übereinstimmung zwischen endoskopischer und histologischer Remission vorliegen. CED-Patienten mit langjähriger Kolitis haben das Risiko, Dysplasie und Darmkrebs (CRC) zu entwickeln. Mehrere Fall-Kontroll-Studien und populationsbasierte Kohortenstudien haben gezeigt, dass die endoskopische Überwachung das CRC-bezogene Überleben bei IBD-Patienten mit erhöhtem Darmkrebsrisiko verbessert. Die endoskopische Überwachung wird von internationalen gastrointestinalen Gesellschaften allgemein zur Früherkennung und Resektion von Dysplasie oder CRC empfohlen. Im Gegensatz zu Nicht-CED-Patienten kann es jedoch schwierig sein, eine Dysplasie bei IBD-Patienten während der Koloskopie zu diagnostizieren, da sich Dysplasie häufig als nicht gestielte Läsionen manifestiert, die nur subtile sichtbare Veränderungen aufweisen oder aufgrund der umgebenden Entzündung, Narbenbildung und Pseudopolypen sogar unsichtbar sind , oder Hyperplasie. Obwohl hochauflösende Weißlicht-Endoskopie und Chromoendoskopie die derzeitige Standardmodalität der Bildgebung sind, gibt es noch eine zu schließende Lücke in Bezug auf die Verbesserung der endoskopischen Dysplasie-Diagnose und die Verbesserung der Übereinstimmung zwischen endoskopischer und histologischer Remission.

Die Raman-Spektroskopie ist eine Technik der inelastischen Lichtstreuung, die in der Lage ist, spezifische spektroskopische Fingerabdrücke von molekularen Zusammensetzungen und Strukturen von biologischen Geweben zu liefern. Wenn Lichtenergie auf ein Gewebe einfällt, wird die Lichtenergie absorbiert und anschließend gestreut. Ein Großteil der Energie wird elastisch gestreut, aber ein kleiner Teil (< 1 %) wird unelastisch gestreut. Eine solche unelastische Streuung wird als Raman-Streuung bezeichnet und wird durch Wellenlängenverschiebungen gemessen, die mit unterschiedlichen molekularen Zusammensetzungen verbunden sind. Beispielsweise entsprechen Spektralbereiche von 850–1150, 1200–1500 und 1600–1750 cm –1 Signalen, die sich auf Proteine, Nukleinsäuren bzw. Lipide beziehen. Krebsartiges Gewebe ist mit einer höheren Stoffwechselrate und daher einem anderen molekularen Aufbau als nicht krebsartiges Gewebe verbunden. Durch die Untersuchung des Raman-Spektrums des Gewebes, das auch als Bio-Fingerabdruck dient, können die Ermittler feststellen, ob das Gewebe krebsartig oder nicht krebsartig ist. Raman-Spektroskopie wurde zur Charakterisierung und Diagnose von kolorektalem Gewebe ex vivo beschrieben. Molckovsky et al. wendeten eine Endoskop-kompatible Raman-Sonde zur Differenzialdiagnose zwischen Adenom und hyperplastischem Polyp in vivo an, aber die erfassten Gewebe-Raman-Spektren waren auf den sogenannten Fingerabdruck (FP)-Bereich (d. h. 800–1800 cm –1 ) beschränkt, und Die Erfassungszeit war lang (> 5 s), was für routinemäßige klinische endoskopische Untersuchungen unpraktisch war. Die diagnostische Effizienz der FP-Raman-Spektroskopie könnte bei Patienten aufgrund von intrinsisch sehr schwachen Gewebe-Raman-Signalen und überwältigender Gewebe-Autofluoreszenz (AF) der inneren Organe beeinträchtigt sein. Neben kolorektalen Neoplasien wurde die Raman-Spektroskopie im Zusammenhang mit CED in kleinen Ex-vivo- und In-vivo-Studien untersucht, mit vielversprechenden Ergebnissen in Bezug auf die Differenzierung von Schleimhautheilung und Entzündung und die Differenzierung von UC von CD Studien sind mit ähnlichen Einschränkungen konfrontiert wie die Studien zu kolorektalen Neoplasien, insbesondere im Hinblick auf die Praktikabilität für eine effiziente In-vivo-Diagnose. Jüngste Aufmerksamkeit wurde auf die Verwendung eines Regimes mit hoher Wellenzahl (HW) (z. B. 2800–3600 cm –1 ) gerichtet, da der HW-Spektralbereich stärkere Gewebe-Raman-Signale aufweist, während er weniger Hintergrundinterferenz sowohl von Gewebe-AF als auch von faseroptischen Sonden aufweist . Es gibt mehrere Gründe für die Kombination der FP- und HW-Raman-Techniken für In-vivo-Gewebe-Raman-Messungen: (i) Für Gewebe, die einen intensiven AF aufweisen könnten, der die Gewebe-FP-Raman-Signale überwältigt, könnte der HW-Bereich immer noch intensive Gewebe-Raman-Peaks für die Gewebediagnose enthalten; (ii) Die FP- und HW-Raman-Spektren bieten komplementäre biomolekulare Informationen, und die Kombination der FP/HW-Raman-Technik könnte die Gewebecharakterisierung und -diagnose verbessern. Vor kurzem wurde ein neuartiges 785-nm-Erregungs-Raman-Endoskop der zweiten Generation entwickelt, das gleichzeitig sowohl FP-Raman-Spektren (d. h. 800-1800 cm-1) als auch Raman-Spektren mit hoher Wellenzahl (HW) (d. h. 2800-3600 cm-1) messen kann Spektren in Echtzeit (< 0,5 s) zur Verbesserung der In-vivo-Gewebecharakterisierung und -diagnostik während der Koloskopie entwickelt. Die simultane FP/HW-Raman-Technik ist mit einer endoskopkompatiblen 1,8-mm-Faseroptik-Raman-Sonde integriert, die mit einer Saphir-Kugellinse gekoppelt ist, um biomolekulare Signaturen von der Unterseite des kolorektalen Gewebes im Zusammenhang mit Dysplasie zu untersuchen. Dies wurde verwendet, um das SPECTRA IMDx-System zu entwickeln, das Gewebe auf zellulärer Ebene abfragt und molekulare Informationen nutzt, um Ärzten während der Darmspiegelung verwertbare Informationen in vivo in Echtzeit bereitzustellen. Das SPECTRA IMDx besteht aus einem Lasersystem, einem Spektrometer, einem Computer mit installiertem Analysealgorithmus und anderen Hilfsteilen. Die SPECTRA IMDx-Sonde ist mit dem Hauptsystem verbunden. Die SPECTRA IMDx-Sonde ist eine Anordnung aus optischen Fasern und optischen Komponenten, die für eine maximale Übertragung von Lichtenergie angeordnet sind. Bei Gebrauch sendet das Lasersystem einen 785-nm-Nahinfrarotlaser aus, der durch die SPECTRA IMDx-Sonde zum distalen Ende übertragen wird. Wenn der Laser auf eine Gewebeoberfläche abgefragt wird, wird die Lichtenergie absorbiert und reflektiert. Die reflektierte Energie wird dann vom distalen Ende der SPECTRA IMDx-Sonde gesammelt, zurück zum Hauptsystem übertragen und durch das Spektrometer geleitet. Das gesammelte Signal wird dann verarbeitet, um das saubere Raman-Signal für die diagnostische Klassifizierung zu erhalten.

Derzeit fehlen Daten zur Anwendung dieser neuartigen Technologie im Zusammenhang mit CED. Insbesondere, ob die erzeugten spektralen Signale verwendet werden können, um die Krankheitsremission besser zu klassifizieren und somit im Vergleich zur Standardendoskopie eine höhere Übereinstimmung mit der Histologie zu erreichen. Es ist auch unklar, ob diese Technologie verwendet werden kann, um dysplastische Schleimhaut von nicht dysplastischer Schleimhaut bei CED-Patienten zu unterscheiden.

Überblick Dies ist eine prospektive Beobachtungsstudie aller Probanden mit CED (CD, UC oder IC), die sich über einen Zeitraum von 24 Monaten einer Koloskopie unterziehen. Der Arbeitsablauf ist in Abbildung 2 zusammengefasst. Die Einverständniserklärung wird vom Prüfarzt vor der Aufnahme in die Studie eingeholt. Die Teilnahme des Probanden an dieser Studie dauert nur die Dauer der Koloskopie, die etwa 30 bis 45 Minuten beträgt. Die Probanden müssen das Krankenhaus für die Studie nicht zusätzlich besuchen.

Darmvorbereitung und endoskopisches Verfahren Vor der Koloskopie müssen die Probanden den Dickdarm mit Darmvorbereitung gemäß der klinischen Standardpraxis reinigen. Die Koloskopie wird nach Ermessen des Endoskopikers und des Patienten mit oder ohne Sedierung durchgeführt. Während der Koloskopie, die mit einem hochauflösenden Endoskopiesystem mit oder ohne begleitender Chromoendoskopie durchgeführt wird, können Biopsien der Dickdarmschleimhaut entweder zur Beurteilung des Zustands der Krankheitsaktivität oder zur Klärung der Art einer erkannten fokalen Läsion, die vorhanden sein könnte, entnommen werden nicht-neoplastisch, wie hyperplastische oder postinflammatorische Polypen, oder neoplastisch, wie z. B. IBD-assoziierte Dysplasie oder sporadische kolorektale Neoplasie. Die Befunde für Colon ascendens, Colon transversum, Colon descendens, Colon sigmoideum und Rektum werden getrennt erfasst. Läsionen können auch mit einer Schlinge reseziert werden. Vor den beabsichtigten Biopsien jeder Region oder vor der endoskopischen Polypektomie wird die SPECTRA IMDx-Sonde durch den Arbeitskanal des Koloskops eingeführt, um Kontakt mit der Schleimhautoberfläche herzustellen, um die Raman-Signale zu erfassen. Anschließend werden Biopsien entnommen und so gekennzeichnet, dass die erfassten Raman-Signale mit dem Goldstandard der Histologie zur Erstellung diagnostischer Klassifikatoren korreliert werden können. Im Rahmen der Studienanforderungen werden keine Verfahren auf Tonband, Film / Video oder einem anderen elektronischen Medium gespeichert. Endoskopiebefunde werden im Standardformat für elektronische medizinische Berichte aufgezeichnet. Endoskopie- und Histologieergebnisse werden in das Patientenfallberichtsformular übertragen und anonymisiert.

Schweregrad der Schleimhautentzündung Klassifikationssysteme für die endoskopische Beurteilung der Krankheitsaktivität wurden veröffentlicht.31 Für UC und IC wird der Schweregrad der Krankheitsaktivität basierend auf dem Mayo Endoskopischen Subscore6 und UCEIS beschrieben. UCEIS wurde validiert.

Bei CD stützt sich die Definition der endoskopischen Erkrankungsschwere nicht nur auf die Schwere der Schleimhautentzündung, und Bewertungssysteme wie Morbus Crohn Endoskopischer Schweregrad (CDEIS) und Einfacher Endoskopischer Score für Morbus Crohn (SES-CD) umfassen andere Komponenten wie z B. Krankheitsverteilung und Vorhandensein einer Lumenverengung als Teil der Beurteilung. Sowohl CDEIS als auch SES-CD sind validierte Bewertungssysteme. Da das Forschungsinteresse ausschließlich auf der Beurteilung von Schleimhautentzündungen liegt, werden für diese Studie die für die Schleimhautbeteiligung verwendeten Deskriptoren verwendet, basierend auf SES-CD, und Schleimhautheilung wird als Fehlen von Schleimhautulzerationen definiert.

Fokale flache oder polypoide Läsionen Die Morphologie der erkannten oberflächlichen Läsionen, die entweder auf Hyperplasie oder Dysplasie hinweisen, wird anhand der aktualisierten Pariser Klassifikation beschrieben (Tabelle 3, Abbildung 3).32 Eine sitzende Läsion hat eine vertikale Höhe von > 2,5 mm, während die einer leicht erhabenen Läsion < 2,5 mm beträgt. Bei einer exkavierten Läsion beträgt die Tiefe > 1,2 mm, während sie bei einer leicht vertieften Läsion weniger als 1,2 mm beträgt. Eine Biopsiezange, die längs neben der Läsion platziert wird, ist ein hilfreicher Referenzstandard (der Durchmesser mit geschlossenen Backen beträgt 2,5 mm, während der Durchmesser einer einzelnen Backe 1,2 mm beträgt). Die geschätzte Größe, Farbe und Ränder der Läsion werden beschrieben. Die endoskopische Diagnose wird dokumentiert.

Dokumentation des histologischen Befundes Histologischer Schweregrad der Schleimhautentzündung Klassifikationssysteme zur histologischen Beurteilung der Krankheitsaktivität wurden publiziert. Für UC oder IC wird dies anhand des Nancy Histological Index beurteilt. Grad 0 und 1 definieren eine histologische Remission, Grad 2 definiert eine leicht aktive Erkrankung, Grad 3 definiert eine mäßig aktive Erkrankung und Grad 4 definiert eine schwer aktive Erkrankung. Der Nancy-Index wurde validiert.

Für Zöliakie wird dies anhand eines Bewertungssystems bewertet, das zuvor von der IBD-Forschungsgruppe in Leuven, Belgien, entwickelt wurde. Dieses Bewertungssystem wurde nicht validiert, obwohl es in der Forschung weit verbreitet ist.

Fokal flache oder polypoide Läsionen Die WHO-Klassifikation für kolorektale serratierte Läsionen und Polypen und das Riddell-System für die Klassifikation von IBD-assoziierter Dysplasie werden verwendet. IBD-assoziierte Dysplasie ist definiert als eindeutige neoplastische Veränderung des Kolonepithels. Es sollte betont werden, dass ein solches dysplastisches Epithel nicht nur ein Marker oder Vorläufer eines Karzinoms sein kann, sondern selbst bösartig sein und mit einer direkten Invasion in das darunter liegende Gewebe einhergehen kann. Diese Definition ist analog zur Definition von Dysplasie bei Adenomen des Dickdarms ohne IBD, bei neoplastischen Läsionen des restlichen Gastrointestinaltrakts und bei anderen Epithelien. Dysplasie wird auf der Grundlage einer Kombination von mikroskopischen Merkmalen identifiziert, einschließlich 1) architektonischer Veränderungen, die über die hinausgehen, die durch die Reparatur bei chronischer Kolitis verursacht werden und oft der Drüsenanordnung von Adenomen ähneln, und 2) zytologische Anomalien, hauptsächlich zellulärer und nuklearer Pleomorphismus, nuklearer Hyperchromatismus, Verlust der Kernpolarität und deutliche Schichtung der Kerne.