Raman-spektroszkópián alapuló mesterséges intelligencia rendszer gyulladásos bélbetegségben

1. HÁTTÉR ÉS INDOKOLÁS A gyulladásos bélbetegségek (IBD) krónikus gyulladásos betegségek, amelyek a colitis ulcerosa (UC), a Crohn-betegség (CD) és a határozatlan vastagbélgyulladás (IC) kategóriába sorolhatók. Az UC-t krónikus nyálkahártya-gyulladás jellemzi, amely a végbélben disztálisan kezdődik, proximálisan, változó távolságig folyamatos kiterjedéssel, gyakran a gyulladt és a nem gyulladt nyálkahártya hirtelen elhatárolásával. A CD-t a krónikus granulomatosus gyulladás szakaszos szakaszai jellemzik, amelyek transzmurálisak is lehetnek, és a vastagbélen kívül a vékonybelet, valamint a felső gyomor-bélrendszert is érintik. Az IC kifejezést akkor használjuk, ha nehéz különbséget tenni az UC és a CD között. Az UC, a CD és az IC krónikus, progresszív és rokkant állapotok. A kezelésnek túl kell lépnie a tünetek kontrollján, és törekednie kell az endoszkópos/makroszkópos elváltozások kezelésére, amelynek végső célja a szerkezeti károsodás és a rokkantság megelőzése, ezáltal javítva a hosszú távú klinikai eredményeket. Bár az endoszkópos remisszió a jelenlegi kezelési cél, az újonnan megjelent adatok arra utalnak, hogy a mély remisszió elérése szövettani remisszióval, nem csak az endoszkópos remisszió, további előnyökkel járhat. A klinikai és biológiai aktivitással jól korrelált, általánosan használt endoszkópos súlyossági rendszerek közé tartozik a módosított Mayo Endoscopic score6 és a Colitis ulcerosa endoszkópos súlyossági indexe (UCEIS) az UC és a Crohn-betegség endoszkópos súlyossági indexe (CDEIS), valamint az egyszerűsített endoszkópos aktivitási pontszám. Crohn-betegség (SES-CD) a CD esetében. A megfigyelők közötti eltérés azonban továbbra is jelentős korlátot jelent ezeknek a vizuális pontszámoknak. Ezenkívül az endoszkópos és a szövettani remisszió közötti összhang hiánya is előfordulhat. A hosszan tartó vastagbélgyulladásban szenvedő IBD-betegeknél fennáll a diszplázia és a vastagbélrák (CRC) kialakulásának kockázata. Több eset-kontroll vizsgálat és populáció-alapú kohorsz tanulmányok kimutatták, hogy az endoszkópos megfigyelés javítja a CRC-vel kapcsolatos túlélést azoknál az IBD-betegeknél, akiknél fokozott a vastagbélrák kockázata. A nemzetközi gasztrointesztinális társaságok széles körben ajánlják az endoszkópos megfigyelést a diszplázia vagy CRC korai felismerésére és eltávolítására. A nem IBD-s betegekkel ellentétben azonban kihívást jelenthet a diszplázia diagnosztizálása IBD-ben szenvedő betegeknél kolonoszkópia során, mivel a diszplázia gyakran nem kocsányos elváltozásokban nyilvánul meg, amelyek csak finom látható változásokkal jelentkeznek, vagy akár láthatatlanok is a környező gyulladás, hegesedés, pszeudopolipok miatt. , vagy hiperplázia. Bár a nagyfelbontású fehér fényes endoszkópia és a kromoendoszkópia a jelenlegi standard képalkotó módszer, még mindig van egy hiányosság, amelyet át kell hidalni a diszplázia endoszkópos diagnózisának javítása, valamint az endoszkópos és szövettani remisszió összhangjának javítása tekintetében.

A Raman-spektroszkópia egy rugalmatlan fényszórási technika, amely képes specifikus spektroszkópiai ujjlenyomatokat készíteni a biológiai szövetek molekuláris összetételéről és szerkezetéről. Amikor fényenergia ér egy szövetre, a fényenergia elnyelődik, majd szétszóródik. Az energia nagy része rugalmasan, de kis része (<1%) rugalmatlanul szóródik. Az ilyen rugalmatlan szórást Raman-szórásnak nevezik, és hullámhossz-eltolódásokkal mérik, amelyek különböző molekuláris összetételekhez kapcsolódnak. Például a 850-1150, 1200-1500 és 1600-1750 cm-1 spektrális tartományok a fehérjékkel, nukleinsavakkal és lipidekkel kapcsolatos jeleknek felelnek meg. A rákos szövet magasabb anyagcsere-sebességgel jár, és így a nem rákos szövettől eltérő molekuláris felépítéssel. A szövet Raman-spektrumának vizsgálatával, amely egyben bio-ujjlenyomatként is szolgál, a kutatók azonosíthatják, hogy a szövet rákos vagy nem rákos. Raman-spektroszkópiáról számoltak be a kolorektális szövet jellemzésére és ex vivo diagnosztizálására. Molckovsky és munkatársai endoszkóppal kompatibilis Raman-szondát alkalmaztak az adenoma és a hiperplasztikus polip közötti differenciáldiagnózisra in vivo, de a szöveti Raman-spektrumok az úgynevezett ujjlenyomat (FP) tartományra korlátozódtak (azaz 800-1800 cm-1), és a felvételi idő hosszadalmas volt (>5 s), ami a rutin klinikai endoszkópos vizsgálatoknál nem volt praktikus. Az FP Raman-spektroszkópia diagnosztikai hatékonyságát veszélyeztetheti a betegekben a nagyon gyenge szöveti Raman-jelek és a belső szervek túlnyomó szöveti autofluoreszcenciája (AF). A kolorektális neoplázia mellett a Raman-spektroszkópiát is tanulmányozták az IBD összefüggésében kis léptékű ex vivo és in vivo vizsgálatokban, ígéretes eredményekkel a nyálkahártya gyógyulása és gyulladása, valamint az UC és a CD megkülönböztetése tekintetében. Azonban ezek az IBD-vel kapcsolatosak. a vizsgálatok hasonló korlátokkal szembesülnek, mint a kolorektális neoplázia vizsgálatai, különösen a hatékony in vivo diagnózis gyakorlatiassága tekintetében. A közelmúltban a figyelem a nagy hullámszámú (HW) rezsim (például 2800-3600 cm-1) alkalmazása felé irányult, mivel a HW spektrális tartomány erősebb szöveti Raman-jeleket mutat, miközben kevesebb háttérinterferenciát okoz mind a szöveti AF, mind a száloptikai szondák . Az FP és a HW Raman technikák in vivo szöveti Raman-méréseknél történő kombinálásának több indoka is van: (i) Azon szövetek esetében, amelyek intenzív AF-t mutathatnak, amely túlnyomja a szöveti FP Raman-jeleket, a HW tartomány továbbra is tartalmazhat intenzív szöveti Raman-csúcsokat a szövetdiagnosztikához; (ii) Az FP és a HW Raman spektrumok kiegészítő biomolekuláris információkat kínálnak, és az FP/HW Raman technika kombinálása javíthatja a szövetek jellemzését és diagnózisát. A közelmúltban megjelent egy új, második generációs 785 nm-es gerjesztésű Raman endoszkóp, amely egyszerre képes mérni az FP Raman spektrumot (azaz 800-1800 cm-1) és a nagy hullámszámú (HW) (azaz 2800-3600 cm-1) Raman-t. valós idejű (< 0,5 s) spektrumokat dolgoztunk ki az in vivo szövetek jellemzésének és diagnózisának javítására a kolonoszkópia során. Az egyidejű FP/HW Raman technika egy 1,8 mm-es endoszkóppal kompatibilis száloptikás Raman szondával van összekapcsolva, amely zafír golyós lencsével párosul a dysplasia okozta vastag- és végbélszövet felszín alatti biomolekuláris aláírásainak szondázásához. Ezt használták fel a SPECTRA IMDx rendszer létrehozására, amely sejtszinten kérdezi le a szöveteket, és molekuláris információkat használ fel annak érdekében, hogy az orvosok in vivo valós időben, a kolonoszkópia során hasznosítható információkat kapjanak. A SPECTRA IMDx egy lézerrendszerből, egy spektrométerből, egy elemző algoritmussal rendelkező számítógépből és egyéb kiegészítő alkatrészekből áll. A SPECTRA IMDx szonda a fő rendszerhez csatlakozik. A SPECTRA IMDx szonda optikai szálak és optikai komponensek együttese, amelyek a fényenergia maximális átvitelére vannak elrendezve. Használat közben a lézerrendszer egy 785 nm-es közeli infravörös lézert bocsát ki, amelyet a SPECTRA IMDx szondán keresztül továbbít a távoli végbe. Amikor a lézert szövetfelületen vizsgálják, a fényenergia elnyelődik és visszaverődik. A visszavert energiát ezután összegyűjtik a SPECTRA IMDx szonda disztális végéről, visszaküldik a fő rendszerbe, és átengedik a spektrométeren. Az összegyűjtött jelet ezután feldolgozzák, hogy megkapják a tiszta Raman-jelet a diagnosztikai osztályozáshoz.

Jelenleg nem állnak rendelkezésre adatok ennek az új technológiának az IBD összefüggésében történő alkalmazására vonatkozóan. Pontosabban, hogy a generált spektrális jelek felhasználhatók-e a betegség remissziójának jobb osztályozására, és ezáltal a szövettannal való nagyobb összhang elérésére a standard endoszkópiához képest. Az sem világos, hogy ez a technológia használható-e a diszpláziás nyálkahártya és a nem diszpláziás nyálkahártya megkülönböztetésére IBD-s betegekben.

Áttekintés Ez egy prospektív megfigyeléses vizsgálat minden IBD-ben (CD, UC vagy IC) szenvedő alanyról, akiknél kolonoszkópiát végeznek 24 hónapon keresztül. A munkafolyamatot a 2. ábra foglalja össze. A vizsgálatba való beiratkozás előtt a vizsgáló tájékoztatáson alapuló beleegyezését adja meg. Az alany ebben a vizsgálatban csak a kolonoszkópiás eljárás időtartama alatt vesz részt, ami körülbelül 30-45 perc. Az alanyoknak nem kell további látogatást tenniük a kórházban a vizsgálat céljából.

Bélelőkészítés és endoszkópos eljárás A kolonoszkópia előtt az alanyoknak meg kell tisztítani a vastagbelet bélelőkészítéssel a szokásos klinikai gyakorlat szerint. A kolonoszkópiát szedációval vagy anélkül végezzük, az endoszkópos és a páciens belátása szerint. A kolonoszkópia során, amelyet nagy felbontású endoszkópos rendszerrel végeznek kiegészítõ kromoendoszkópiával vagy anélkül, a vastagbél nyálkahártyájáról biopsziát lehet venni akár a betegség aktivitásának felmérésére, akár a kimutatott gócos elváltozás természetének tisztázására, amely lehet nem daganatos, például hiperplasztikus vagy poszt-gyulladásos polipok, vagy neoplasztikus, például IBD-vel összefüggő diszplázia vagy sporadikus colorectalis neoplázia. A felszálló vastagbél, a keresztirányú vastagbél, a leszálló vastagbél, a szigmabél és a végbél leleteit külön rögzítjük. A léziókat pergővel is ki lehet eltávolítani. Az egyes régiók tervezett biopsziája vagy az endoszkópos polipektómia előtt a SPECTRA IMDx szondát a kolonoszkóp munkacsatornáján keresztül behelyezik, hogy érintkezésbe kerüljön a nyálkahártya felületével, és összegyűjtse a Raman-jeleket. Ezután biopsziákat vesznek és jelölnek úgy, hogy a kapott Raman-jelek korrelálhatók a szövettan aranystandardjával a diagnosztikai osztályozók létrehozásához. A tanulmányi követelmény részeként semmilyen eljárást nem helyeznek el hangszalagra, filmre/videóra vagy más elektronikus adathordozóra. Az endoszkópos leleteket a szabványos elektronikus orvosi jelentés formátumban rögzítik. Az endoszkópos és szövettani eredményeket átírják a beteg esetjelentési űrlapjára, és azonosítják őket.

A nyálkahártya-gyulladás súlyossága A betegségaktivitás endoszkópos értékelésére szolgáló osztályozási rendszereket publikáltak.31 Az UC és IC esetében a betegség aktivitásának súlyosságát a Mayo Endoscopic Subscore6 és az UCEIS alapján írják le. Az UCEIS érvényesítése megtörtént.

A CD esetében az endoszkópos betegség súlyosságának meghatározása nem csak a nyálkahártya-gyulladás súlyosságán alapul, és a pontozási rendszerek, mint például a Crohn-betegség endoszkópos súlyossági indexe (CDEIS) és a Crohn-betegség egyszerű endoszkópos pontszáma (SES-CD) más összetevőket is tartalmaznak, mint pl. mint a betegség eloszlása ​​és a luminális szűkület jelenléte az értékelés részeként. Mind a CDEIS, mind a SES-CD validált pontozási rendszer. Ebben a vizsgálatban, mivel a kutatás kizárólag a nyálkahártya gyulladásának felmérésére irányul, a nyálkahártya érintettség leírására használt leírókat használjuk a SES-CD alapján, és a nyálkahártya gyógyulását a nyálkahártya fekélyességének hiányaként határozzuk meg.

Fokális lapos vagy polipoid elváltozások A hiperpláziára vagy diszpláziára gyanús észlelt felületi elváltozások morfológiáját a frissített párizsi osztályozás segítségével írjuk le (3. táblázat, 3. ábra).32 A ülő lézió függőleges magassága >2,5 mm, míg az enyhén emelkedett lézióé < 2,5 mm. Feltárt elváltozás esetén a mélység > 1,2 mm, míg enyhén nyomott elváltozás esetén kevesebb, mint 1,2 mm. A lézió mellé hosszirányban elhelyezett biopsziás csipesz hasznos referencia etalon (az átmérő zárt pofákkal 2,5 mm, míg az egyetlen pofa átmérője 1,2 mm). Leírjuk a lézió becsült méretét, színét és széleit. Az endoszkópos diagnózist dokumentálni kell.

A szövettani lelet dokumentálása A nyálkahártya gyulladás szövettani súlyossága A betegség aktivitásának szövettani értékelésére szolgáló osztályozási rendszereket publikáltak. UC vagy IC esetében ezt a Nancy hisztológiai index segítségével értékelik. A 0 és 1 fokozat a szövettani remissziót, a 2-es az enyhén aktív betegséget, a 3-as a közepesen aktív betegséget, a 4-es pedig a súlyosan aktív betegséget határozza meg. A Nancy index érvényesítése megtörtént.

A CD esetében ezt egy pontozási rendszer segítségével értékelik, amelyet korábban a belgiumi Leuvenben lévő IBD kutatócsoport fejlesztett ki. Ezt a pontozási rendszert nem validálták, bár széles körben használják kutatási célokra.

Fokális lapos vagy polipoid elváltozások A WHO osztályozása a colorectalis fogazott elváltozásokra és polipokra, valamint a Riddell rendszer az IBD-vel összefüggő dysplasia osztályozására kerül alkalmazásra. Az IBD-vel összefüggő dysplasia a vastagbél epitéliumának egyértelmű daganatos elváltozása. Hangsúlyozni kell, hogy az ilyen diszpláziás hám nemcsak a karcinóma markere vagy prekurzora lehet, hanem maga is rosszindulatú lehet, és az alatta lévő szövetekbe való közvetlen invázióhoz kapcsolódik. Ez a meghatározás analóg a dysplasia meghatározásával a vastagbél adenomáiban IBD hiányában, a gyomor-bél traktus többi részének daganatos elváltozásaiban és egyéb hámokban. A diszpláziát mikroszkopikus jellemzők kombinációja alapján azonosítják, beleértve 1) a krónikus vastagbélgyulladásban bekövetkezett gyógyulást meghaladó építészeti változásokat, amelyek gyakran hasonlítanak az adenomák mirigyes elrendeződésére, és 2) citológiai rendellenességek, elsősorban sejtes és nukleáris pleomorfizmus, nukleáris hiperkromatizmus, a nukleáris polaritás elvesztése és az atommagok jelentős rétegződése.