Sistema di intelligenza artificiale basato sulla spettroscopia Raman nella malattia infiammatoria intestinale

1. BACKGROUND E RAZIONALE Le malattie infiammatorie intestinali (IBD) sono malattie infiammatorie croniche che possono essere classificate come colite ulcerosa (UC), morbo di Crohn (CD) e colite indeterminata (CI). La colite ulcerosa è caratterizzata da un'infiammazione cronica della mucosa che inizia distalmente nel retto, con estensione continua prossimalmente per una distanza variabile, spesso con una netta demarcazione tra mucosa infiammata e non infiammata. La CD è caratterizzata da segmenti discontinui di infiammazione granulomatosa cronica che possono essere transmurali e coinvolgere l'intestino tenue oltre al colon, così come il tratto gastrointestinale superiore.1 Il termine IC viene utilizzato quando è difficile distinguere tra CU e CD. CU, MC e IC sono condizioni croniche, progressive e invalidanti. Il trattamento deve andare oltre il controllo dei sintomi e mirare a trattare le lesioni endoscopiche/macroscopiche con l'obiettivo finale di prevenire danni strutturali e disabilità, migliorando così i risultati clinici a lungo termine. Sebbene la remissione endoscopica sia l'attuale obiettivo del trattamento, i dati emergenti suggeriscono che il raggiungimento di una remissione profonda con la remissione istologica, piuttosto che solo la remissione endoscopica, può conferire ulteriori benefici. I sistemi di gravità endoscopica comunemente usati che si correlano bene con l'attività clinica e biologica includono il punteggio endoscopico Mayo modificato6 e l'indice di gravità endoscopico della colite ulcerosa (UCEIS) per la colite ulcerosa e l'indice di gravità endoscopico della malattia di Crohn (CDEIS) e il punteggio di attività endoscopica semplificato per Malattia di Crohn (SES-CD) per CD. Tuttavia la variazione inter-osservatore rimane una limitazione significativa per questi punteggi visivi. Inoltre, potrebbe esserci anche una mancanza di concordanza tra la remissione endoscopica e quella istologica. I pazienti con IBD con colite di lunga data sono a rischio di sviluppare displasia e cancro del colon-retto (CRC). Numerosi studi caso-controllo e studi di coorte basati sulla popolazione hanno dimostrato che la sorveglianza endoscopica migliora la sopravvivenza correlata al CRC nei pazienti con IBD ad aumentato rischio di cancro al colon. La sorveglianza endoscopica è ampiamente raccomandata dalle società gastrointestinali internazionali per la diagnosi precoce e la resezione della displasia o CRC. Tuttavia, a differenza dei pazienti non IBD, può essere difficile diagnosticare la displasia nei pazienti con IBD durante la colonscopia, poiché la displasia si manifesta frequentemente come lesioni non peduncolate che si presentano con solo sottili cambiamenti visibili o sono addirittura invisibili a causa dell'infiammazione circostante, delle cicatrici, degli pseudopolipi o iperplasia. Sebbene l'endoscopia a luce bianca ad alta definizione e la cromoendoscopia siano l'attuale modalità standard di imaging, c'è ancora un divario da colmare, in termini di miglioramento della diagnosi endoscopica della displasia e miglioramento della concordanza della remissione endoscopica e istologica.

La spettroscopia Raman è una tecnica di diffusione della luce anelastica in grado di fornire specifiche impronte spettroscopiche di composizioni molecolari e strutture di tessuti biologici. Quando l'energia luminosa incide su un tessuto, l'energia luminosa viene assorbita e successivamente diffusa. Gran parte dell'energia è dispersa in modo elastico, ma una piccola quantità (<1%) è dispersa in modo anelastico. Tale scattering anelastico è chiamato scattering Raman ed è misurato dagli spostamenti di lunghezza d'onda associati a composizioni molecolari distinte. Ad esempio, gli intervalli spettrali di 850 - 1150, 1200 - 1500 e 1600 - 1750 cm-1 corrispondono rispettivamente a segnali relativi a proteine, acidi nucleici e lipidi. Il tessuto canceroso è associato a un tasso metabolico più elevato e quindi a una diversa composizione molecolare rispetto al tessuto non canceroso. Indagando gli spettri Raman del tessuto, che funge anche da bio-impronta digitale, i ricercatori possono identificare se il tessuto è canceroso o non canceroso. La spettroscopia Raman è stata segnalata per la caratterizzazione del tessuto colorettale e la diagnosi ex vivo. Molckovsky et al. hanno applicato una sonda Raman compatibile con l'endoscopio per la diagnosi differenziale tra adenoma e polipo iperplastico in vivo, ma gli spettri Raman tissutali acquisiti erano limitati al cosiddetto intervallo di impronte digitali (FP) (ovvero 800-1800 cm-1) e il tempo di acquisizione era lungo (> 5 s) che non era pratico per gli esami endoscopici clinici di routine. L'efficienza diagnostica della spettroscopia FP Raman potrebbe essere compromessa nei pazienti a causa di segnali Raman tissutali intrinsecamente molto deboli e di un'autofluorescenza tissutale (AF) travolgente degli organi interni. Oltre alla neoplasia del colon-retto, la spettroscopia Raman è stata studiata nel contesto dell'IBD in studi ex-vivo e in-vivo su piccola scala, con risultati promettenti in termini di differenziazione della guarigione e dell'infiammazione della mucosa e differenziano la CU dal MC. gli studi affrontano limitazioni simili a quelle degli studi sulla neoplasia del colon-retto, in particolare per quanto riguarda la praticità per un'efficiente diagnosi in vivo. Recenti attenzioni sono state rivolte all'uso del regime ad alto numero d'onda (HW) (ad esempio, 2800-3600 cm-1), poiché l'intervallo spettrale HW mostra segnali Raman tissutali più forti pur avendo meno interferenza di fondo da entrambe le sonde tissutali AF e in fibra ottica . Esistono molteplici ragioni per combinare le tecniche Raman FP e HW per le misurazioni Raman dei tessuti in vivo: (i) Per i tessuti che potrebbero esibire un'AF intensa che travolge i segnali Raman FP dei tessuti, l'intervallo HW potrebbe ancora contenere picchi Raman dei tessuti intensi per la diagnosi dei tessuti; (ii) Gli spettri FP e HW Raman offrono informazioni biomolecolari complementari e la combinazione della tecnica FP/HW Raman potrebbe migliorare la caratterizzazione e la diagnosi dei tessuti. Molto recentemente, un nuovo endoscopio Raman di eccitazione a 785 nm di seconda generazione in grado di misurare simultaneamente sia gli spettri Raman FP (ovvero 800-1800 cm-1) sia il numero d'onda alto (HW) (ovvero 2800-3600 cm-1) Raman sono stati sviluppati spettri in tempo reale (<0,5 s) per migliorare la caratterizzazione e la diagnosi dei tessuti in vivo durante la colonscopia. La tecnica simultanea FP/HW Raman è integrata con una sonda Raman in fibra ottica compatibile con endoscopio da 1,8 mm accoppiata con una lente a sfera in zaffiro per sondare le firme biomolecolari dal sottosuolo del tessuto colorettale associato alla displasia. Questo è stato utilizzato per creare il sistema SPECTRA IMDx che interroga il tessuto a livello cellulare e utilizza le informazioni molecolari per fornire ai medici informazioni utilizzabili in vivo in tempo reale durante la colonscopia. SPECTRA IMDx comprende un sistema laser, uno spettrometro, un computer con un algoritmo di analisi installato e altre parti ausiliarie. La sonda SPECTRA IMDx è collegata al sistema principale. La sonda SPECTRA IMDx è un insieme di fibre ottiche e componenti ottici disposti per la massima trasmissione di energia luminosa. Quando è in uso, il sistema laser emette un laser vicino all'infrarosso da 785 nm che viene trasmesso attraverso la sonda SPECTRA IMDx all'estremità distale. Quando il laser viene interrogato su una superficie del tessuto, l'energia luminosa viene assorbita e riflessa. L'energia riflessa viene quindi raccolta dall'estremità distale della sonda SPECTRA IMDx, ritrasmessa al sistema principale e fatta passare attraverso lo spettrometro. Il segnale raccolto viene quindi elaborato per ottenere il segnale Raman pulito per la classificazione diagnostica.

Attualmente mancano dati riguardanti l'applicazione di questa nuova tecnologia nel contesto dell'IBD. In particolare, se i segnali spettrali generati possono essere utilizzati per classificare meglio la remissione della malattia e quindi ottenere una maggiore concordanza con l'istologia rispetto all'endoscopia standard. Inoltre, non è chiaro se questa tecnologia possa essere utilizzata per differenziare la mucosa displastica dalla mucosa non displastica nei pazienti con IBD.

Panoramica Questo è uno studio osservazionale prospettico di tutti i soggetti con IBD (CD, UC o IC) sottoposti a colonscopia per un periodo di 24 mesi. Il flusso di lavoro è riassunto nella figura 2. Il consenso informato sarà preso dallo sperimentatore prima dell'arruolamento nello studio. La partecipazione del soggetto a questo studio durerà solo la durata della procedura di colonscopia che è di circa 30-45 minuti. Ai soggetti non sarà richiesto di effettuare un'ulteriore visita in ospedale per lo studio.

Preparazione dell'intestino e procedura endoscopica Prima della colonscopia, i soggetti sono tenuti a pulire il colon utilizzando la preparazione dell'intestino come da pratica clinica standard. La colonscopia viene eseguita con o senza sedazione a discrezione dell'endoscopista e del paziente. Durante il processo di colonscopia, che viene eseguito utilizzando un sistema endoscopico ad alta definizione con o senza cromoendoscopia aggiuntiva, è possibile ottenere biopsie della mucosa del colon sia per valutare lo stato di attività della malattia sia per chiarire la natura di una lesione focale rilevata, che potrebbe essere non neoplastici come polipi iperplastici o post-infiammatori, o neoplastici, come displasia associata a IBD o neoplasia colorettale sporadica. I risultati per il colon ascendente, il colon trasverso, il colon discendente, il colon sigmoideo e il retto saranno registrati separatamente. Le lesioni possono anche essere resecate usando un laccio. Prima delle biopsie previste di ciascuna regione o prima della polipectomia endoscopica, la sonda SPECTRA IMDx verrà inserita attraverso il canale di lavoro del colonscopio per entrare in contatto con la superficie della mucosa per raccogliere i segnali Raman. Le biopsie vengono quindi ottenute ed etichettate in modo tale che i segnali Raman acquisiti possano essere correlati con il gold standard dell'istologia per la creazione di classificatori diagnostici. Nessuna procedura verrà inserita su nastro audio, film / video o altro supporto elettronico come parte del requisito di studio. I risultati dell'endoscopia saranno registrati nel formato standard di referto medico elettronico. I risultati dell'endoscopia e dell'istologia saranno trascritti nel modulo di segnalazione del caso del paziente e resi anonimi.

Gravità dell'infiammazione della mucosa Sono stati pubblicati sistemi di classificazione per la valutazione endoscopica dell'attività della malattia.31 Per UC e IC, la gravità dell'attività della malattia sarà descritta sulla base di Mayo Endoscopic Subscore6 e UCEIS. UCEIS è stato convalidato.

Per la CD, la definizione di gravità della malattia endoscopica non si basa solo sulla gravità dell'infiammazione della mucosa e i sistemi di punteggio come l'indice di gravità endoscopico della malattia di Crohn (CDEIS) e il punteggio endoscopico semplice per la malattia di Crohn (SES-CD) incorporano altri componenti come come distribuzione della malattia e la presenza di restringimento del lume come parte della valutazione. Sia CDEIS che SES-CD sono sistemi di punteggio convalidati. Per questo studio, poiché l'interesse della ricerca è esclusivamente sulla valutazione dell'infiammazione della mucosa, verranno utilizzati i descrittori utilizzati per il coinvolgimento della mucosa, basati su SES-CD, e la guarigione della mucosa sarà definita come assenza di ulcerazione della mucosa.

Lesioni focali piatte o polipoidi La morfologia delle lesioni superficiali rilevate sospette di iperplasia o displasia sarà descritta utilizzando la Classificazione di Parigi aggiornata (tabella 3, figura 3).32 Una lesione sessile ha un'altezza verticale >2,5 mm mentre quella per una lesione lievemente elevata è <2,5 mm. Per una lesione scavata, la profondità è > 1,2 mm, mentre è inferiore a 1,2 mm per una lesione leggermente depressa. Una pinza per biopsia posizionata longitudinalmente accanto alla lesione è un utile standard di riferimento (il diametro con le ganasce chiuse è di 2,5 mm, mentre il diametro di una singola ganascia è di 1,2 mm). Saranno descritti la dimensione stimata, il colore ei margini della lesione. La diagnosi endoscopica sarà documentata.

Documentazione del riscontro istologico Gravità istologica dell'infiammazione della mucosa Sono stati pubblicati sistemi di classificazione per la valutazione istologica dell'attività della malattia. Per UC o IC, questo sarà valutato utilizzando l'indice istologico di Nancy. Il grado 0 e 1 definisce la remissione istologica, il 2 definisce la malattia lievemente attiva, il 3 definisce la malattia moderatamente attiva e il 4 definisce la malattia gravemente attiva. L'indice di Nancy è stato convalidato.

Per CD, questo sarà valutato utilizzando un sistema di punteggio precedentemente sviluppato dal gruppo di ricerca IBD a Leuven, in Belgio. Questo sistema di punteggio non è stato convalidato sebbene sia ampiamente utilizzato per la ricerca.

Lesioni focali piatte o polipoidi Verranno utilizzate la classificazione dell'OMS per le lesioni seghettate colorettali ei polipi e il sistema Riddell per la classificazione della displasia associata a IBD. La displasia IBD-associata è definita come un'inequivocabile alterazione neoplastica dell'epitelio del colon. Va sottolineato che tale epitelio displastico non solo può essere un marcatore o un precursore del carcinoma, ma può essere esso stesso maligno e associato all'invasione diretta nel tessuto sottostante. Questa definizione è analoga alla definizione di displasia negli adenomi del colon in assenza di IBD, nelle lesioni neoplastiche del resto del tratto gastrointestinale e in altri epiteli. La displasia viene identificata sulla base di una combinazione di caratteristiche microscopiche, tra cui 1) alterazione architettonica superiore a quella risultante dalla riparazione nella colite cronica, spesso simile alla disposizione ghiandolare degli adenomi, e 2) anomalie citologiche, principalmente pleomorfismo cellulare e nucleare, ipercromatismo nucleare, perdita di polarità nucleare e marcata stratificazione dei nuclei.