Raman-spektroskopiaan perustuva tekoälyjärjestelmä tulehduksellisessa suolistosairaudessa

1. TAUSTAA JA PERUSTELUT Tulehdukselliset suolistosairaudet (IBD) ovat kroonisia tulehdussairauksia, jotka voidaan luokitella haavaiseksi paksusuolitulehdukseksi (UC), Crohnin taudiksi (CD) ja määrittelemättömäksi paksusuolitulehdukseksi (IC). UC:lle on tunnusomaista krooninen limakalvotulehdus, joka alkaa distaalisesti peräsuolesta ja jatkuu jatkuvasti proksimaalisesti vaihtelevan etäisyyden ajan, usein äkillisesti erottuva tulehtuneen ja tulehtumattoman limakalvon välillä. CD:lle on ominaista kroonisen granulomatoottisen tulehduksen epäjatkuvat segmentit, jotka voivat olla transmuraalisia ja joihin liittyy paksusuolen lisäksi ohutsuole sekä ylempi maha-suolikanava. Termiä IC käytetään, kun UC:n ja CD:n erottaminen toisistaan ​​on vaikeaa. UC, CD ja IC ovat kroonisia, eteneviä ja vammauttavia tiloja. Hoidon on mentävä oireiden hallintaa pidemmälle ja pyrittävä hoitamaan endoskooppisia/makroskooppisia vaurioita lopullisena tavoitteena ehkäistä rakenteellisia vaurioita ja vammaisuutta, mikä parantaa pitkän aikavälin kliinisiä tuloksia. Vaikka endoskooppinen remissio on tämänhetkinen hoidon tavoite, uudet tiedot viittaavat siihen, että syvän remission saavuttaminen histologisella remissiolla pelkän endoskooppisen remission sijaan voi tuoda lisäetuja. Yleisesti käytettyjä endoskooppisia vakavuusjärjestelmiä, jotka korreloivat hyvin kliinisen ja biologisen aktiivisuuden kanssa, ovat muunneltu Mayo Endoscopic -pistemäärä6 ja haavaisen paksusuolentulehduksen endoskooppinen vakavuusindeksi (UCEIS) UC:lle ja Crohnin taudin endoskooppinen vakavuusindeksi (CDEIS) ja yksinkertaistettu endoskooppinen aktiivisuuspiste. Crohnin tauti (SES-CD) CD:lle. Tarkkailijoiden välinen vaihtelu on kuitenkin edelleen merkittävä rajoitus näille visuaalisille pisteille. Lisäksi endoskooppisen ja histologisen remission välillä voi olla myös yhteensopivuuden puute. IBD-potilailla, joilla on pitkäaikainen koliitti, on riski saada dysplasia ja paksusuolen syöpä (CRC). Useat tapauskontrollitutkimukset ja väestöpohjaiset kohorttitutkimukset ovat osoittaneet, että endoskooppinen seuranta parantaa CRC:hen liittyvää eloonjäämistä IBD-potilailla, joilla on lisääntynyt paksusuolensyövän riski. Kansainväliset ruoansulatuskanavayhdistykset suosittelevat laajalti endoskooppista seurantaa dysplasian tai CRC:n varhaiseen havaitsemiseen ja poistamiseen. Toisin kuin ei-IBD-potilailla, voi kuitenkin olla haastavaa diagnosoida dysplasia IBD-potilailla kolonoskopian aikana, koska dysplasia ilmenee usein vaurioina, joissa ei ole kantaa ja joissa on vain hienoisia näkyviä muutoksia tai jotka ovat jopa näkymättömiä ympäröivän tulehduksen, arpeutumisen tai pseudopolyyppien vuoksi. tai hyperplasiaa. Vaikka teräväpiirtovalkoisen valon endoskopia ja kromoendoskopia ovat nykyinen vakiokuvausmenetelmä, dysplasian endoskooppisen diagnoosin ja endoskooppisen ja histologisen remission yhteensopivuuden parantamisen suhteen on edelleen aukko.

Raman-spektroskopia on joustamaton valonsirontatekniikka, joka pystyy tuottamaan spesifisiä spektroskooppisia sormenjälkiä biologisten kudosten molekyylikoostumuksista ja rakenteista. Kun valoenergia osuu kudokselle, valoenergia imeytyy ja sen jälkeen hajoaa. Suuri osa energiasta on sironnut elastisesti, mutta pieni osa (<1 %) on sironnut kimmoisasti. Tällaista joustamatonta sirontaa kutsutaan Raman-sironnaksi ja sitä mitataan aallonpituussiirtymillä, jotka liittyvät erillisiin molekyylikoostumuksiin. Esimerkiksi spektrialueet 850 - 1150, 1200 - 1500 ja 1600 - 1750 cm-1 vastaavat proteiineihin, nukleiinihappoihin ja lipideihin liittyviä signaaleja. Syöpäkudokseen liittyy korkeampi aineenvaihduntanopeus ja siten erilainen molekyylirakenne kuin ei-syöpäkudoksessa. Tutkimalla kudoksen Raman-spektrejä, jotka toimivat myös biosormenjälkinä, tutkijat voivat tunnistaa, onko kudos syöpäsairaus vai ei-syöpä. Raman-spektroskopiaa on raportoitu kolorektaalisen kudoksen karakterisointia ja diagnoosia varten ex vivo. Molckovsky ym. käyttivät endoskoopin kanssa yhteensopivaa Raman-koetinta adenooman ja hyperplastisen polyypin välisen erotusdiagnoosin tekemiseen in vivo, mutta saadut kudosten Raman-spektrit rajoittuivat niin kutsuttuun sormenjälkialueeseen (FP) (eli 800-1800 cm-1) ja Hankintaaika oli pitkä (> 5 s), mikä oli epäkäytännöllistä rutiininomaisissa kliinisissä endoskooppisissa tutkimuksissa. FP Raman -spektroskopian diagnostinen tehokkuus saattaa vaarantua potilailla luonnostaan ​​erittäin heikkojen kudosten Raman-signaalien ja sisäelinten ylivoimaisen kudoksen autofluoresenssin (AF) vuoksi. Kolorektaalisen neoplasian lisäksi Raman-spektroskopiaa on tutkittu IBD:n yhteydessä pienimuotoisissa ex-vivo- ja in-vivo -tutkimuksissa, mikä on antanut lupaavia tuloksia limakalvon paranemisen ja tulehduksen erottamisessa ja UC:n erottamisessa CD:stä. Nämä IBD:hen liittyvät kuitenkin. tutkimukset kohtaavat samanlaisia ​​rajoituksia kuin kolorektaalisten neoplasioiden tutkimukset, erityisesti mitä tulee käytännöllisyyteen tehokkaassa in vivo -diagnoosissa. Viime aikoina on kiinnitetty huomiota korkean aaltoluvun (HW) käyttöön (esim. 2800-3600 cm-1), koska HW-spektrialueella on vahvempia kudosten Raman-signaaleja samalla kun taustahäiriöitä on vähemmän sekä kudosten AF- että kuituoptisista antureista . FP- ja HW Raman -tekniikoiden yhdistämiselle in vivo -kudoksen Raman-mittauksissa on useita syitä: (i) Kudoksissa, joissa voi esiintyä voimakasta AF:tä, joka ylittää kudoksen FP Raman-signaalit, HW-alue voi silti sisältää voimakkaita kudosten Raman-piikkejä kudosdiagnoosia varten; (ii) FP- ja HW Raman -spektrit tarjoavat täydentävää biomolekyylitietoa, ja FP/HW Raman -tekniikan yhdistäminen voisi parantaa kudosten karakterisointia ja diagnoosia. Aivan äskettäin julkaistiin uusi toisen sukupolven 785 nm:n viritys-Raman-endoskooppi, joka voi samanaikaisesti mitata sekä FP Raman -spektrejä (eli 800-1800 cm-1) että korkean aaltoluvun (HW) (eli 2800-3600 cm-1) Raman-säteilyä. Reaaliaikaiset spektrit (< 0,5 s) kehitettiin in vivo -kudosten karakterisoinnin ja diagnoosin parantamiseksi kolonoskopian aikana. Samanaikainen FP/HW Raman -tekniikka on integroitu 1,8 mm:n endoskoopin kanssa yhteensopivaan kuituoptiseen Raman-anturiin, joka on yhdistetty safiiripallolinssiin dysplasiaan liittyvien kolorektaalisen kudoksen pinnan biomolekulaaristen allekirjoitusten tutkimiseksi. Tätä on käytetty SPECTRA IMDx -järjestelmän luomiseen, joka tutkii kudosta solutasolla ja hyödyntää molekyylitietoa tarjotakseen lääkäreille käyttökelpoista tietoa in vivo reaaliajassa kolonoskopian aikana. SPECTRA IMDx sisältää laserjärjestelmän, spektrometrin, tietokoneen, johon on asennettu analyysialgoritmi, ja muita apuosia. SPECTRA IMDx-anturi on kytketty pääjärjestelmään. SPECTRA IMDx -anturi on yhdistelmä optisia kuituja ja optisia komponentteja, jotka on järjestetty valoenergian maksimaalista siirtämistä varten. Käytön aikana laserjärjestelmä lähettää 785 nm lähi-infrapunalaseria, joka lähetetään SPECTRA IMDx -anturin kautta distaalipäähän. Kun laseria tutkitaan kudoksen pinnalla, valoenergia absorboituu ja heijastuu. Heijastunut energia kerätään sitten SPECTRA IMDx -anturin distaalisesta päästä, lähetetään takaisin pääjärjestelmään ja johdetaan spektrometrin läpi. Kerätty signaali käsitellään sitten puhtaan Raman-signaalin saamiseksi diagnostista luokittelua varten.

Tällä hetkellä ei ole tietoa tämän uuden teknologian soveltamisesta IBD:n yhteydessä. Tarkemmin sanottuna voidaanko generoituja spektrisignaaleja käyttää taudin remission luokitteluun ja siten paremman yhteensopivuuden saavuttamiseen histologian kanssa verrattuna tavanomaiseen endoskopiaan. On myös epäselvää, voidaanko tätä tekniikkaa käyttää dysplastisen limakalvon erottamiseen ei-dysplastisesta limakalvosta IBD-potilailla.

Yleiskatsaus Tämä on prospektiivinen havaintotutkimus kaikista IBD-potilaista (CD, UC tai IC), joille tehdään kolonoskopia 24 kuukauden aikana. Työnkulku on tiivistetty kuvassa 2. Tutkija ottaa tietoisen suostumuksen ennen tutkimukseen ilmoittautumista. Koehenkilön osallistuminen tähän tutkimukseen kestää vain kolonoskopiatoimenpiteen keston, joka on noin 30-45 minuuttia. Tutkittavien ei tarvitse tehdä ylimääräistä käyntiä sairaalassa tutkimuksen ajaksi.

Suolen valmistelu ja endoskooppinen toimenpide Ennen kolonoskopiaa koehenkilöiden on puhdistettava paksusuolen suolivalmisteella tavallisen kliinisen käytännön mukaisesti. Kolonoskopia suoritetaan sedaatiolla tai ilman sitä endoskoopin ja potilaan harkinnan mukaan. Kolonoskopiaprosessin aikana, joka suoritetaan teräväpiirtoisella endoskopiajärjestelmällä lisäkromoendoskopialla tai ilman sitä, paksusuolen limakalvosta voidaan ottaa biopsia joko sairauden tilan arvioimiseksi tai havaitun fokaalisen leesion luonteen selvittämiseksi, mikä voisi olla ei-neoplastiset, kuten hyperplastiset tai tulehduksen jälkeiset polyypit, tai neoplastiset, kuten IBD:hen liittyvä dysplasia tai satunnainen kolorektaalinen neoplasia. Nousevan paksusuolen, poikittaisen paksusuolen, laskevan paksusuolen, sigmoidikoolonin ja peräsuolen löydökset kirjataan erikseen. Vauriot voidaan myös resektoida virvelillä. Ennen kunkin alueen suunniteltuja biopsioita tai ennen endoskooppista polypektomiaa SPECTRA IMDx -koetin työnnetään kolonoskoopin työkanavan läpi koskettamaan limakalvon pintaa Raman-signaalien keräämiseksi. Sitten otetaan biopsiat ja leimataan siten, että saadut Raman-signaalit voidaan korreloida histologian kultastandardin kanssa diagnostisten luokittimien luomiseksi. Ääninauhalle, elokuvalle/videolle tai muulle sähköiselle välineelle ei sijoiteta toimenpiteitä osana opintovaatimusta. Endoskopialöydökset kirjataan tavalliseen sähköiseen lääketieteelliseen raporttiin. Endoskopian ja histologian tulokset kopioidaan potilastapausraporttilomakkeeseen ja niistä poistetaan henkilöllisyys.

Limakalvotulehduksen vakavuus Luokitusjärjestelmiä sairauden aktiivisuuden endoskooppiseen arviointiin on julkaistu.31 UC:n ja IC:n osalta sairauden aktiivisuuden vakavuus kuvataan Mayo Endoscopic Subscore6:n ja UCEIS:n perusteella. UCEIS on validoitu.

CD:n kohdalla endoskooppisen taudin vakavuuden määritelmä ei perustu pelkästään limakalvotulehduksen vakavuuteen, ja pisteytysjärjestelmät, kuten Crohnin taudin endoskooppinen vakavuusindeksi (CDEIS) ja Simple Endoscopic Score for Crohnin tauti (SES-CD), sisältävät muita komponentteja, kuten taudin jakautumisen ja luminaalisen kaventumisen esiintymisenä osana arviointia. Sekä CDEIS että SES-CD ovat validoituja pisteytysjärjestelmiä. Tässä tutkimuksessa, koska tutkimusintressi on vain limakalvotulehduksen arvioiminen, käytetään limakalvon osallistumiseen käytettyjä kuvauksia SES-CD:n perusteella ja limakalvon paraneminen määritellään limakalvon haavaumien puuttumiseksi.

Fokaaliset litteät tai polypoidiset leesiot Havaittujen pinnallisten leesioiden morfologia, jotka epäilevät joko hyperplasiaa tai dysplasiaa, kuvataan käyttämällä päivitettyä Pariisin luokittelua (taulukko 3, kuva 3).32 Istumattoman leesion pystysuora korkeus on > 2,5 mm, kun taas lievästi kohonneen leesion korkeus on < 2,5 mm. Kaivetun vaurion syvyys on > 1,2 mm, kun taas lievästi painautuneen leesion syvyys on alle 1,2 mm. Leesion viereen pituussuunnassa asetetut biopsiapihdit ovat hyödyllinen vertailustandardi (halkaisija suljetuilla leuoilla on 2,5 mm, kun taas yksittäisen leuan halkaisija on 1,2 mm). Leesion arvioitu koko, väri ja reunat kuvataan. Endoskooppinen diagnoosi dokumentoidaan.

Histologisen löydön dokumentointi Limakalvotulehduksen histologinen vakavuus Luokitusjärjestelmiä sairauden aktiivisuuden histologiseen arviointiin on julkaistu. UC:n tai IC:n osalta tämä arvioidaan käyttämällä Nancyn histologista indeksiä. Asteet 0 ja 1 määrittelevät histologisen remission, 2 määrittelevät lievästi aktiivisen taudin, 3 määrittelevät kohtalaisen aktiivisen taudin ja 4 määrittelevät vakavan aktiivisen taudin. Nancyn indeksi on vahvistettu.

CD:n osalta tämä arvioidaan käyttämällä pisteytysjärjestelmää, jonka IBD-tutkimusryhmä on aiemmin kehittänyt Leuvenissa, Belgiassa. Tätä pisteytysjärjestelmää ei ole validoitu, vaikka sitä käytetään laajasti tutkimuksessa.

Fokaaliset litteät tai polypoidiset vauriot Käytetään WHO:n luokitusta kolorektaalisten hammastettujen leesioiden ja polyyppien osalta ja Riddell-järjestelmää IBD:hen liittyvän dysplasian luokittelussa. IBD:hen liittyvä dysplasia määritellään paksusuolen epiteelin yksiselitteiseksi neoplastiseksi muutokseksi. On korostettava, että tällainen dysplastinen epiteeli ei ainoastaan ​​voi olla karsinooman merkki tai esiaste, vaan se voi itsekin olla pahanlaatuinen ja liittyä suoraan tunkeutumiseen alla olevaan kudokseen. Tämä määritelmä on analoginen dysplasian määritelmän kanssa paksusuolen adenoomissa IBD:n puuttuessa, muun maha-suolikanavan neoplastisissa vaurioissa ja muissa epiteelissä. Dysplasia tunnistetaan mikroskooppisten piirteiden yhdistelmän perusteella, mukaan lukien 1) arkkitehtoninen muutos, joka on suurempi kuin kroonisen paksusuolentulehduksen korjauksesta johtuva, usein adenoomien rauhasjärjestelyä muistuttava, ja 2) sytologiset poikkeavuudet, pääasiassa solujen ja tuman pleomorfismi, tuman hyperkromatismi, ydinpolariteetin menetys ja ytimien selvä kerrostuminen.