Validierung der schnellen Vor-Ort-Diagnostik bei der Probenentnahme von Lungenkrebs im Frühstadium mit einem Mikroskop mit höherer harmonischer Erzeugung (VALIDIAG)

Der Goldstandard für die Diagnose aller vermuteten bösartigen Erkrankungen, wie z. B. Lungenkrebs, umfasst die pathologische Untersuchung mittels Lichtmikroskopie, ergänzt durch immunhistochemische Techniken und molekulare (Gewebe-)Diagnostik. Die offizielle Beurteilung dieses Gewebes erfolgt typischerweise nach dem Verfahren, bei dem das Gewebe gewonnen wurde, durch histologische Analyse (Gewebeanalyse) oder zytologische Analyse (Zellanalyse durch Aspiration). Nur dann kann Gewissheit darüber gegeben werden, ob das gewonnene Gewebe qualitativ und/oder quantitativ für eine Diagnose ausreichend ist.

Um sicherzustellen, dass komplexe und/oder invasive Eingriffe mit den richtigen Ergebnismaßen durchgeführt werden, wäre eine intraoperative Gewebediagnostik von Vorteil. Zusätzlich zur postoperativen Beurteilung wird bei komplexen und/oder invasiven Eingriffen häufig eine zusätzliche intraprozedurale Auswertung des Materials zur qualitativen und quantitativen Einschätzung („Rapid Onsite Evaluation“ (ROSE) und „Gefrierschnittuntersuchung“) eingesetzt. Eine schnelle Vor-Ort-Beurteilung der Zytopathologie ist bei navigationsbedingten Bronchoskopieverfahren immer möglich, während die Gefrierschnittuntersuchung bei chirurgischen Geweberesektionen eingesetzt wird (z. B. bei Lungenkrebsoperationen sowie bei onkologischen HNO- und Speiseröhrenoperationen, neben anderen Organ- und Malignitätsverdachtsfällen). .

Navigationsbronchoskopie Bei Patienten mit (Verdacht auf) Lungenkrebs im Frühstadium ist die Navigationsbronchoskopie ein arbeitsintensives, komplexes Verfahren, das mittlerweile zum neuen Behandlungsstandard für die Diagnose von Lungenkrebsverdächtigen Anomalien geworden ist. Mit einem Endoskop und einem anschließenden navigierbaren Katheter wird durch die natürlichen Atemwege zur verdächtigen Läsion navigiert und zur Diagnosestellung eine Biopsie entnommen. Da es sich oft um periphere kleine Läsionen handelt, ist es entscheidend, Gewebe millimetergenau zu gewinnen. Bei der Navigationsbronchoskopie wird routinemäßig die bereits erwähnte ROSE-Technik eingesetzt, um während des Eingriffs eine Rückmeldung darüber zu erhalten, ob das gewonnene Gewebe für die Diagnosestellung geeignet ist. Histologisches und/oder zytologisches Gewebe wird bei der Navigationsbronchoskopie mit kleinen Instrumenten, beispielsweise einem mit Zellmaterial gefüllten Objektträger, entnommen. Der Zytologe beurteilt innerhalb weniger Minuten, ob das Material repräsentativ ist, indem er es einfärbt und unter dem Mikroskop untersucht. Repräsentativität bedeutet, dass das Material genug enthält, um eine abschließende pathologische Diagnose zur Erklärung der Anomalie durchführen zu können. Da bei der Navigationsbronchoskopie nur kleine Biopsien durchgeführt werden und Gewebe aus dem Tumor selbst oder dem umgebenden Gewebe bei direkter Visualisierung nicht mit Sicherheit gewonnen werden kann (Biopsien werden unter Anleitung einer Röntgendurchleuchtung entnommen), werden mehrere und umfangreiche Biopsien durchgeführt. In der aktuellen klinischen Praxis werden routinemäßig mehr als zehn Biopsien pro Patient entnommen. In der Praxis beobachten wir bei der intraoperativen Bildgebung, dass wir in über 90 % der Fälle die Läsion genau erreichen konnten. Bei der späteren Nachuntersuchung stellt sich heraus, dass wir bei etwa 10-15 % der Eingriffe nach der Analyse des gewonnenen Materials immer noch keine korrekte Diagnose stellen können.

Chirurgie Ähnlich wie bei ROSE bei der Navigationsbronchoskopie ist auch bei chirurgischen Eingriffen eine Gefrierschnittuntersuchung erforderlich, wenn zu Beginn des Eingriffs keine Diagnose vorliegt oder wenn klinisch relevante Lymphknotenstationen den Eingriff beeinträchtigen. Es wird Gewebe entnommen und von einem Mitarbeiter in die Pathologie gebracht. Der Fortschritt des chirurgischen Eingriffs wird angehalten. Das Gewebe wird in der Pathologie zu Schnittschnitten eingefroren, die dann vom Pathologen gefärbt und beurteilt werden. Aufgrund dieser Tätigkeiten bedeutet dies, dass der Chirurg während der Operation in der Regel mehr als eine halbe Stunde auf ein pathologisches Ergebnis wartet.

Dieser Ansatz ist bei zahlreichen chirurgischen Eingriffen üblich, nicht nur in der Lungenchirurgie, sondern auch bei Eingriffen bei Patienten mit Speiseröhrenkrebs, Kopf- und Halskrebs und anderen soliden Tumoren an anderen Stellen des Körpers.

In vielen klinischen Situationen könnte ein schnelleres und detaillierteres pathologisches Feedback während eines Eingriffs, das sofortige Einblicke in den Ursprung von Anomalien liefert, die klinische Praxis erheblich verbessern. Die Wartezeiten für Eingriffe können verkürzt werden, wodurch die Lücke zwischen dem genauen Erreichen einer Läsion und dem Erhalten einer Diagnose geschlossen wird. Es ermöglicht eine effektivere Bestimmung der Anzahl der Biopsien, die bei diagnostischen Verfahren wie der Navigationsbronchoskopie erforderlich sind, und ermöglicht eine genauere intraoperative Beurteilung, ob eine weitere Therapie erforderlich ist.

Mikroskopie mit höherer Harmonischer Generation (HHGM) ist eine neuartige digitale Bildgebungstechnik, die während eines Eingriffs mithilfe von Laserlicht (digitale) Mikroskopiebilder erzeugen kann. Diese Technik erzeugt nicht-invasive, markierungsfreie digitale Bilder von lebendem Gewebe mit subzellulärer Auflösung. Der Kontrast in den Bildern wird durch Diskontinuitäten, nicht zentrosymmetrische Molekülstrukturen oder autofluoreszierende Organellen verursacht, die höhere optische Harmonische und autofluoreszierende Photonen erzeugen, die mit einem Mikroskop erfasst werden. HHGM wurde bereits früher zur Abbildung verschiedener Gewebetypen wie Brust, Gehirn und Lunge eingesetzt. Eine frühere Studie zeigte, dass HHGM innerhalb von Minuten hochwertige Bilder von Lungentumoren ohne Fixierung und Färbung liefert. Die resultierenden Bilder zeigten die Zelldichte, zelluläre und nukleare morphologische Merkmale des Tumors sowie extrazelluläre Matrixkomponenten (Fibroblasten, Kollagen und Elastin), Immunzellen, rote Blutkörperchen und Blutgefäße. In einer Folgestudie am Amsterdam UMC wurden 109 Biopsien von 47 Patienten innerhalb von durchschnittlich 6 Minuten (IQR = 3 Minuten) nach der Exzision abgebildet. Die Bildqualität war in 97 % der Biopsien ausreichend für die Diagnose einer bösartigen oder nicht bösartigen Erkrankung, und 87 % der HHG-Bilder wurden von Pathologen korrekt bewertet.

Wichtig ist, dass gezeigt wurde, dass diese optische Bildgebung keinen Einfluss auf die standardmäßige pathologische Verarbeitung und Bewertung hatte. Das abgebildete Gewebe konnte unmittelbar nach der Aufnahme der Bilder gemäß der normalen Routine verarbeitet und beurteilt werden. In einer früheren Studie an menschlichem Lungengewebe am Amsterdam UMC (47 Patienten) wurden histopathologische Bilder, die nach der Bildgebung mit dem HHG-Mikroskop aufgenommen wurden, von einem Pathologen ausgewertet. Es zeigte sich, dass auch die Bildgebung mit dem HHG-Mikroskop keinen Einfluss auf das Gewebe oder seine Zugänglichkeit hatte. Die Laserleistung auf der Probe beträgt 5 mW, was der Leistung eines Laserpointers entspricht.

Die gewonnenen Gewebe werden vor der Weiterverarbeitung gemäß routinemäßigen klinischen Prozessen in einen speziellen Behälter für die HHGM-Bildgebung gegeben. Sowohl kleine Biopsien, die beispielsweise bei der Navigationsbronchoskopie gewonnen werden, als auch größere chirurgische Resektionsgewebe, die längere Scanzeiten erfordern, werden in diese speziellen Behälter gegeben und während der Bildgebung durch Zugabe einer kleinen Menge physiologischer Kochsalzlösung (einen bis mehrere Tropfen) minimal angefeuchtet. Dies geschieht, um die Bildgebung zu verbessern und einer möglichen Dehydrierung vorzubeugen. Diese Zugabe von physiologischer Kochsalzlösung hat keinen negativen Einfluss auf die späteren Beurteilungsmöglichkeiten des Gewebes durch den Pathologen.

Das hier beschriebene Forschungsprotokoll zielt darauf ab, eine große Anzahl von HHGM-Bildern während Routineverfahren in der täglichen klinischen Praxis zu sammeln, eine umfangreichere Bildbibliothek zum Verständnis von HHGM-Bildern zu erstellen, Pathologen zu schulen und einen KI-Algorithmus für zukünftige computergestützte Diagnostik und/oder oder automatische Vor-Ort-Diagnose. Die während des Eingriffs gesammelten Bilder werden nicht für die klinische Entscheidungsfindung verwendet.