Sistema de Inteligencia Artificial Basado en Espectroscopía Raman en Enfermedad Inflamatoria Intestinal

1. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN Las enfermedades inflamatorias intestinales (EII) son trastornos inflamatorios crónicos que se pueden categorizar como colitis ulcerosa (CU), enfermedad de Crohn (EC) y colitis indeterminada (CI). La CU se caracteriza por una inflamación crónica de la mucosa que comienza distalmente en el recto, con extensión continua proximalmente a una distancia variable, a menudo con una demarcación abrupta entre la mucosa inflamada y la no inflamada. La EC se caracteriza por segmentos discontinuos de inflamación granulomatosa crónica que puede ser transmural e involucrar al intestino delgado además del colon, así como al tracto gastrointestinal superior.1 El término IC se utiliza cuando es difícil diferenciar entre UC y CD. UC, CD y IC son condiciones crónicas, progresivas e incapacitantes. El tratamiento debe ir más allá del control de los síntomas y apuntar a tratar las lesiones endoscópicas/macroscópicas con el objetivo final de prevenir el daño estructural y la discapacidad, mejorando así los resultados clínicos a largo plazo. Aunque la remisión endoscópica es el objetivo actual del tratamiento, los datos emergentes sugieren que lograr una remisión profunda con remisión histológica, en lugar de solo una remisión endoscópica, puede otorgar beneficios adicionales. Los sistemas de gravedad endoscópica de uso común que se correlacionan bien con la actividad clínica y biológica incluyen la puntuación endoscópica de Mayo modificada6 y el Índice de gravedad endoscópica de colitis ulcerosa (UCEIS) para CU y el Índice de gravedad endoscópica de la enfermedad de Crohn (CDEIS) y la Puntuación de actividad endoscópica simplificada para Enfermedad de Crohn (SES-CD) para EC. Sin embargo, la variación entre observadores sigue siendo una limitación significativa para estas puntuaciones visuales. Además, también puede haber una falta de concordancia entre la remisión endoscópica e histológica. Los pacientes con EII con colitis de larga evolución corren el riesgo de desarrollar displasia y cáncer colorrectal (CCR). Múltiples estudios de casos y controles y estudios de cohortes basados ​​en la población han demostrado que la vigilancia endoscópica mejora la supervivencia relacionada con el CCR en pacientes con EII con mayor riesgo de cáncer de colon. Las sociedades gastrointestinales internacionales recomiendan ampliamente la vigilancia endoscópica para la detección temprana y la resección de displasia o CCR. Sin embargo, a diferencia de los pacientes sin EII, puede ser un desafío diagnosticar displasia en pacientes con EII durante la colonoscopia, ya que la displasia se manifiesta con frecuencia como lesiones no pedunculadas que se presentan solo con cambios sutiles visibles o incluso son invisibles debido a la inflamación circundante, cicatrización y pseudopólipos. , o hiperplasia. Aunque la endoscopia con luz blanca de alta definición y la cromoendoscopia son la modalidad estándar actual de obtención de imágenes, aún queda una brecha por cerrar, en términos de mejorar el diagnóstico endoscópico de la displasia y mejorar la concordancia de la remisión endoscópica e histológica.

La espectroscopia Raman es una técnica de dispersión de luz inelástica que es capaz de proporcionar huellas dactilares espectroscópicas específicas de composiciones moleculares y estructuras de tejidos biológicos. Cuando la energía luminosa incide sobre un tejido, la energía luminosa se absorbe y posteriormente se dispersa. Gran parte de la energía se dispersa elásticamente, pero una pequeña cantidad (<1%) se dispersa de forma inelástica. Tal dispersión inelástica se denomina dispersión Raman y se mide por los cambios de longitud de onda asociados con distintas composiciones moleculares. Por ejemplo, los rangos espectrales de 850 - 1150, 1200 - 1500 y 1600 - 1750 cm-1 corresponden a señales relacionadas con proteínas, ácidos nucleicos y lípidos respectivamente. El tejido canceroso se asocia con una tasa metabólica más alta y, por lo tanto, una composición molecular diferente de la del tejido no canceroso. Al investigar los espectros Raman del tejido, que también sirven como biohuella digital, los investigadores pueden identificar si el tejido es canceroso o no canceroso. La espectroscopia Raman se ha informado para la caracterización y el diagnóstico ex vivo del tejido colorrectal. Molckovsky et al aplicaron una sonda Raman compatible con endoscopio para el diagnóstico diferencial entre adenoma y pólipo hiperplásico in vivo, pero los espectros Raman de tejido adquiridos se limitaron al llamado rango de huellas dactilares (FP) (es decir, 800-1800 cm-1), y el tiempo de adquisición fue largo (> 5 s) que no era práctico para los exámenes endoscópicos clínicos de rutina. La eficiencia diagnóstica de la espectroscopia Raman FP podría verse comprometida en pacientes debido a señales Raman tisulares intrínsecamente muy débiles y autofluorescencia tisular (AF) abrumadora de los órganos internos. Además de la neoplasia colorrectal, la espectroscopia Raman se ha estudiado en el contexto de la EII en estudios ex vivo e in vivo a pequeña escala, con resultados prometedores en términos de diferenciación de la cicatrización e inflamación de la mucosa, y diferenciar la CU de la EC. Sin embargo, estas EII relacionadas Los estudios enfrentan limitaciones similares a las de los estudios en neoplasia colorrectal, especialmente en lo que respecta a la practicidad para un diagnóstico in vivo eficiente. Las atenciones recientes se han dirigido hacia el uso del régimen de número de onda alto (HW) (por ejemplo, 2800-3600 cm-1), ya que el rango espectral HW exhibe señales Raman de tejido más fuertes mientras tiene menos interferencia de fondo de las sondas de fibra óptica y AF de tejido. . Existen múltiples razones para combinar las técnicas Raman FP y HW para las mediciones Raman tisulares in vivo: (i) Para los tejidos que podrían exhibir una FA intensa que supere las señales Raman FP tisulares, el rango HW aún podría contener picos Raman tisulares intensos para el diagnóstico tisular; (ii) Los espectros FP y HW Raman ofrecen información biomolecular complementaria, y la combinación de la técnica FP/HW Raman podría mejorar la caracterización y el diagnóstico de tejidos. Muy recientemente, un novedoso endoscopio Raman de excitación de 785 nm de segunda generación que puede medir simultáneamente espectros FP Raman (es decir, 800-1800 cm-1) y alto número de onda (HW) (es decir, 2800-3600 cm-1) Raman espectros en tiempo real (< 0,5 s) para mejorar la caracterización de tejidos in vivo y el diagnóstico durante la colonoscopia. La técnica simultánea FP/HW Raman está integrada con una sonda Raman de fibra óptica compatible con endoscopio de 1,8 mm acoplada con una lente de bola de zafiro para sondear las firmas biomoleculares del subsuelo del tejido colorrectal asociado con la displasia. Esto se ha utilizado para crear el sistema SPECTRA IMDx que interroga el tejido a nivel celular y utiliza información molecular para proporcionar a los médicos información procesable in vivo en tiempo real durante la colonoscopia. El SPECTRA IMDx consta de un sistema láser, un espectrómetro, una computadora con un algoritmo de análisis instalado y otras partes auxiliares. La sonda SPECTRA IMDx está conectada con el sistema principal. La sonda SPECTRA IMDx es un conjunto de fibras ópticas y componentes ópticos dispuestos para una transmisión máxima de energía luminosa. Cuando esté en uso, el sistema láser emitirá un láser infrarrojo cercano de 785 nm que se transmitirá a través de la sonda SPECTRA IMDx hasta el extremo distal. Cuando el láser es interrogado sobre la superficie de un tejido, la energía de la luz es absorbida y reflejada. Luego, la energía reflejada se recolecta desde el extremo distal de la sonda SPECTRA IMDx, se transmite de regreso al sistema principal y pasa a través del espectrómetro. Luego, la señal recopilada se procesa para obtener la señal Raman limpia para la clasificación de diagnóstico.

Actualmente faltan datos sobre la aplicación de esta nueva tecnología en el contexto de la EII. Específicamente, si las señales espectrales generadas pueden usarse para clasificar mejor la remisión de la enfermedad y, por lo tanto, lograr una mayor concordancia con la histología en comparación con la endoscopia estándar. Tampoco está claro si esta tecnología se puede utilizar para diferenciar la mucosa displásica de la mucosa no displásica en pacientes con EII.

Descripción general Este es un estudio observacional prospectivo de todos los sujetos con EII (CD, UC o IC) sometidos a colonoscopia durante un período de 24 meses. El flujo de trabajo se resume en la figura 2. El investigador obtendrá el consentimiento informado antes de la inscripción en el estudio. La participación de los sujetos en este estudio durará solo la duración del procedimiento de colonoscopia, que es de aproximadamente 30 a 45 minutos. No se requerirá que los sujetos hagan una visita adicional al hospital para el estudio.

Preparación intestinal y procedimiento endoscópico Antes de la colonoscopia, se requiere que los sujetos limpien el colon usando una preparación intestinal según la práctica clínica estándar. La colonoscopia se realiza con o sin sedación a criterio del endoscopista y del paciente. Durante el proceso de colonoscopia, que se realiza mediante un sistema de endoscopia de alta definición con o sin cromoendoscopia adjunta, se pueden obtener biopsias de la mucosa del colon para evaluar el estado de actividad de la enfermedad o aclarar la naturaleza de una lesión focal detectada, que podría ser no neoplásicos, como los pólipos hiperplásicos o posinflamatorios, o neoplásicos, como la displasia asociada a la EII o la neoplasia colorrectal esporádica. Los hallazgos para el colon ascendente, el colon transverso, el colon descendente, el colon sigmoide y el recto se registrarán por separado. Las lesiones también se pueden resecar usando un lazo. Antes de las biopsias previstas de cada región o antes de la polipectomía endoscópica, la sonda SPECTRA IMDx se insertará a través del canal de trabajo del colonoscopio para hacer contacto con la superficie de la mucosa para recoger las señales Raman. A continuación, se obtienen las biopsias y se etiquetan de manera que las señales Raman adquiridas puedan correlacionarse con el patrón oro de la histología para la creación de clasificadores de diagnóstico. No se colocarán procedimientos en cintas de audio, películas/videos u otros medios electrónicos como parte del requisito de estudio. Los hallazgos de la endoscopia se registrarán en el formato estándar de informe médico electrónico. Los resultados de la endoscopia y la histología se transcribirán en un formulario de informe de caso del paciente y se anonimizarán.

Severidad de la inflamación de la mucosa Se han publicado sistemas de clasificación para la evaluación endoscópica de la actividad de la enfermedad.31 Para UC y IC, la gravedad de la actividad de la enfermedad se describirá en función de Mayo Endoscopic Subscore6 y UCEIS. UCEIS ha sido validado.

Para la EC, la definición de gravedad de la enfermedad endoscópica no se basa únicamente en la gravedad de la inflamación de la mucosa, y los sistemas de puntuación como el Índice de gravedad endoscópica de la enfermedad de Crohn (CDEIS) y la Puntuación endoscópica simple para la enfermedad de Crohn (SES-CD) incorporan otros componentes como como la distribución de la enfermedad y la presencia de estrechamiento luminal como parte de la evaluación. Tanto CDEIS como SES-CD son sistemas de puntuación validados. Para este estudio, dado que el interés de la investigación es únicamente la evaluación de la inflamación de la mucosa, se utilizarán los descriptores utilizados para la afectación de la mucosa, basados ​​en SES-CD, y la cicatrización de la mucosa se definirá como la ausencia de ulceración de la mucosa.

Lesiones focales planas o polipoides La morfología de las lesiones superficiales detectadas sospechosas de hiperplasia o displasia se describirá utilizando la Clasificación de París actualizada (tabla 3, figura 3)32. Una lesión sésil tiene una altura vertical de >2,5 mm, mientras que la de una lesión levemente elevada es <2,5 mm. Para una lesión excavada, la profundidad es > 1,2 mm, mientras que es inferior a 1,2 mm para una lesión levemente deprimida. Las pinzas de biopsia colocadas longitudinalmente junto a la lesión son un patrón de referencia útil (el diámetro con las mordazas cerradas es de 2,5 mm, mientras que el diámetro de una sola mordaza es de 1,2 mm). Se describirá el tamaño estimado, el color y los márgenes de la lesión. Se documentará el diagnóstico endoscópico.

Documentación de hallazgos histológicos Gravedad histológica de la inflamación de la mucosa Se han publicado sistemas de clasificación para la evaluación histológica de la actividad de la enfermedad. Para UC o IC, esto se evaluará mediante el índice histológico de Nancy. Los grados 0 y 1 definen la remisión histológica, el 2 define la enfermedad levemente activa, el 3 define la enfermedad moderadamente activa y el 4 define la enfermedad gravemente activa. El índice de Nancy ha sido validado.

Para EC, esto se evaluará utilizando un sistema de puntuación desarrollado previamente por el grupo de investigación de EII en Lovaina, Bélgica. Este sistema de puntuación no ha sido validado, aunque es ampliamente utilizado para la investigación.

Lesiones planas o polipoides focales Se utilizará la clasificación de la OMS para las lesiones serradas colorrectales y los pólipos y el sistema Riddell para la clasificación de la displasia asociada a la EII. La displasia asociada a EII se define como una alteración neoplásica inequívoca del epitelio colónico. Debe enfatizarse que dicho epitelio displásico no solo puede ser un marcador o precursor de carcinoma, sino que también puede ser maligno y estar asociado con invasión directa al tejido subyacente. Esta definición es análoga a la definición de displasia en adenomas de colon en ausencia de EII, en lesiones neoplásicas del resto del tracto gastrointestinal y en otros epitelios. La displasia se identifica sobre la base de una combinación de características microscópicas, que incluyen 1) alteración de la arquitectura superior a la resultante de la reparación en la colitis crónica, a menudo parecida a la disposición glandular de los adenomas, y 2) anomalías citológicas, principalmente pleomorfismo celular y nuclear, hipercromatismo nuclear, pérdida de polaridad nuclear y marcada estratificación de los núcleos.