Kunstmatig intelligentiesysteem gebaseerd op Raman-spectroscopie bij inflammatoire darmaandoeningen

1. ACHTERGROND EN RATIONALE Inflammatoire darmziekten (IBD) zijn chronische inflammatoire aandoeningen die kunnen worden gecategoriseerd als colitis ulcerosa (UC), de ziekte van Crohn (CD) en onbepaalde colitis (IC). UC wordt gekenmerkt door chronische mucosale ontsteking die distaal in het rectum begint, met continue uitbreiding proximaal over een variabele afstand, vaak met een abrupte scheiding tussen ontstoken en niet-ontstoken mucosa. CD wordt gekarakteriseerd door discontinue segmenten van chronische granulomateuze ontsteking die transmuraal kan zijn en waarbij naast de dikke darm ook de dunne darm is betrokken, evenals het bovenste deel van het maagdarmkanaal.1 De term IC wordt gebruikt wanneer het moeilijk is om onderscheid te maken tussen UC en CD. CU, CD en IC zijn chronische, progressieve en invaliderende aandoeningen. De behandeling moet verder gaan dan symptoomcontrole en gericht zijn op het behandelen van endoscopische/macroscopische laesies met als uiteindelijk doel het voorkomen van structurele schade en invaliditeit, waardoor de klinische resultaten op de lange termijn worden verbeterd. Hoewel endoscopische remissie het huidige behandelingsdoel is, suggereren nieuwe gegevens dat het bereiken van diepe remissie met histologische remissie, in plaats van alleen endoscopische remissie, extra voordelen kan opleveren. Veelgebruikte endoscopische ernstsystemen die goed correleerden met klinische en biologische activiteit zijn onder andere de gemodificeerde Mayo Endoscopische score6 en de Ulcerative Colitis Endoscopic Index of Severity (UCEIS) voor UC en de Crohn's Disease Endoscopic Index of Severity (CDEIS) en de Simplified Endoscopic Activity Score voor Ziekte van Crohn (SES-CD) voor CD. Variatie tussen waarnemers blijft echter een belangrijke beperking voor deze visuele scores. Bovendien kan er ook een gebrek aan overeenstemming zijn tussen endoscopische en histologische remissie. IBD-patiënten met langdurige colitis lopen het risico dysplasie en colorectale kanker (CRC) te ontwikkelen. Meerdere case-control studies en populatie-gebaseerde cohortstudies hebben aangetoond dat endoscopische surveillance CRC-gerelateerde overleving verbetert bij IBD-patiënten met een verhoogd risico op darmkanker. Endoscopische surveillance wordt algemeen aanbevolen door internationale gastro-intestinale verenigingen voor de vroege detectie en resectie van dysplasie of CRC. In tegenstelling tot niet-IBD-patiënten kan het echter een uitdaging zijn om dysplasie te diagnosticeren bij IBD-patiënten tijdens colonoscopie, aangezien dysplasie zich vaak manifesteert als niet-gesteelde laesies die slechts subtiele zichtbare veranderingen vertonen of zelfs onzichtbaar zijn vanwege de omringende ontsteking, littekens, pseudopoliepen. of hyperplasie. Hoewel high-definition witlicht-endoscopie en chromo-endoscopie de huidige standaardmodaliteit van beeldvorming zijn, moet er nog een kloof worden overbrugd wat betreft het verbeteren van de endoscopische diagnose van dysplasie en het verbeteren van de concordantie van endoscopische en histologische remissie.

Raman-spectroscopie is een inelastische lichtverstrooiingstechniek die specifieke spectroscopische vingerafdrukken van moleculaire samenstellingen en structuren van biologische weefsels kan verschaffen. Wanneer lichtenergie op een weefsel valt, wordt de lichtenergie geabsorbeerd en vervolgens verstrooid. Veel van de energie wordt elastisch verstrooid, maar een kleine hoeveelheid (<1%) wordt inelastisch verstrooid. Dergelijke inelastische verstrooiing wordt Raman-verstrooiing genoemd en wordt gemeten door golflengteverschuivingen die verband houden met verschillende moleculaire samenstellingen. Spectraalbereiken van 850 - 1150, 1200 - 1500 en 1600 - 1750 cm-1 komen bijvoorbeeld overeen met signalen die betrekking hebben op respectievelijk eiwitten, nucleïnezuren en lipiden. Kankerweefsel wordt geassocieerd met een hogere stofwisseling en dus een andere moleculaire opbouw dan niet-kankerweefsel. Door de Raman-spectra van het weefsel te onderzoeken, die ook dienen als een bio-vingerafdruk, kunnen de onderzoekers vaststellen of het weefsel kankerachtig of niet-kankerachtig is. Raman-spectroscopie is gerapporteerd voor karakterisering en diagnose van colorectaal weefsel ex vivo. Molckovsky et al pasten een endoscoop-compatibele Raman-sonde toe voor differentiële diagnose tussen adenoom en hyperplastische poliep in vivo, maar verkregen weefsel Raman-spectra waren beperkt tot het zogenaamde vingerafdrukbereik (d.w.z. 800-1800 cm-1), en de acquisitietijd was lang (> 5 s), wat onpraktisch was voor routinematige klinische endoscopische onderzoeken. De diagnostische efficiëntie van FP Raman-spectroscopie kan bij patiënten in het gedrang komen als gevolg van intrinsiek zeer zwakke Raman-signalen in het weefsel en overweldigende weefselautofluorescentie (AF) van de inwendige organen. Naast colorectale neoplasie is Raman-spectroscopie bestudeerd in de context van IBD in kleinschalige ex-vivo en in-vivo studies, met veelbelovende resultaten in termen van differentiatie van mucosale genezing en ontsteking, en differentiatie van CU van CD. studies worden geconfronteerd met vergelijkbare beperkingen als de studies naar colorectale neoplasie, vooral met betrekking tot de bruikbaarheid voor efficiënte in-vivo-diagnose. Recente aandacht is gericht op het gebruik van een regime met een hoog golfgetal (HW) (bijv. 2800-3600 cm-1), aangezien het spectrale bereik van het HW sterkere weefsel Raman-signalen vertoont terwijl er minder achtergrondinterferentie is van zowel weefsel-AF als glasvezelsondes . Er zijn meerdere beweegredenen voor het combineren van de FP- en HW Raman-technieken voor in vivo weefsel Raman-metingen: (i) Voor weefsels die intense AF zouden kunnen vertonen die de weefsel FP Raman-signalen overweldigen, kan het HW-bereik nog steeds intense weefsel Raman-pieken bevatten voor weefseldiagnose; (ii) De FP- en HW Raman-spectra bieden aanvullende biomoleculaire informatie, en het combineren van de FP/HW Raman-techniek zou de weefselkarakterisering en -diagnose kunnen verbeteren. Zeer recent, een nieuwe tweede generatie 785-nm excitatie Raman-endoscoop die gelijktijdig zowel FP Raman-spectra (d.w.z. 800-1800 cm-1) als hooggolfgetal (HW) (d.w.z. 2800-3600 cm-1) kan meten. spectra in real-time (< 0,5 s) ontwikkeld voor het verbeteren van in vivo weefselkarakterisering en -diagnose tijdens colonoscopie. De gelijktijdige FP/HW Raman-techniek is geïntegreerd met een 1,8-mm endoscoop-compatibele glasvezel Raman-sonde gekoppeld aan een saffierbollens voor het onderzoeken van biomoleculaire handtekeningen van de ondergrond van colorectaal weefsel geassocieerd met dysplasie. Dit is gebruikt om het SPECTRA IMDx-systeem te creëren dat weefsel op cellulair niveau ondervraagt ​​en moleculaire informatie gebruikt om artsen bruikbare informatie in vivo real-time te bieden tijdens colonoscopie. De SPECTRA IMDx bestaat uit een lasersysteem, een spectrometer, een computer met een geïnstalleerd analyse-algoritme en andere ondersteunende onderdelen. De SPECTRA IMDx-sonde is verbonden met het hoofdsysteem. De SPECTRA IMDx-sonde is een samenstel van optische vezels en optische componenten die zijn gerangschikt voor maximale transmissie van lichtenergie. Wanneer het lasersysteem in gebruik is, zendt het een 785 nm nabij-infraroodlaser uit die door de SPECTRA IMDx-sonde naar het distale uiteinde wordt verzonden. Wanneer de laser op een weefseloppervlak wordt ondervraagd, wordt de lichtenergie geabsorbeerd en gereflecteerd. De gereflecteerde energie wordt vervolgens verzameld vanaf het distale uiteinde van de SPECTRA IMDx-sonde, teruggestuurd naar het hoofdsysteem en door de spectrometer geleid. Het verzamelde signaal wordt vervolgens verwerkt om het zuivere Raman-signaal te verkrijgen voor diagnostische classificatie.

Er is momenteel een gebrek aan gegevens over de toepassing van deze nieuwe technologie in de context van IBD. Met name of de gegenereerde spectrale signalen kunnen worden gebruikt om ziekteremissie beter te classificeren en zo een hogere overeenstemming met histologie te bereiken in vergelijking met standaard endoscopie. Het is ook onduidelijk of deze technologie kan worden gebruikt om dysplastische mucosa te onderscheiden van niet-dysplastische mucosa bij IBD-patiënten.

Overzicht Dit is een prospectieve observationele studie van alle proefpersonen met IBD (CD, UC of IC) die colonoscopie ondergingen gedurende een periode van 24 maanden. De workflow is samengevat in figuur 2. Geïnformeerde toestemming zal door de onderzoeker worden verkregen voordat hij zich inschrijft voor de studie. De deelname van proefpersonen aan dit onderzoek duurt slechts de duur van de colonoscopieprocedure, die ongeveer 30 tot 45 minuten duurt. Proefpersonen hoeven voor het onderzoek geen extra bezoek aan het ziekenhuis te brengen.

Darmvoorbereiding en endoscopische procedure Voorafgaand aan colonoscopie moeten proefpersonen de dikke darm reinigen met behulp van darmvoorbereiding volgens de standaard klinische praktijk. Colonoscopie wordt uitgevoerd met of zonder sedatie naar goeddunken van de endoscopist en patiënt. Tijdens het colonoscopieproces, dat wordt uitgevoerd met behulp van een high-definition endoscopiesysteem met of zonder adjuvante chromo-endoscopie, kunnen biopsieën van het slijmvlies van de dikke darm worden verkregen om de toestand van de ziekteactiviteit te beoordelen of om de aard van een gedetecteerde focale laesie te verduidelijken. niet-neoplastische zoals hyperplastische of post-inflammatoire poliepen, of neoplastische, zoals IBD-geassocieerde dysplasie of sporadische colorectale neoplasie. De bevindingen van colon ascendens, colon transversum, colon ascendens, colon sigmoid en rectum worden afzonderlijk geregistreerd. Laesies kunnen ook worden verwijderd met behulp van een strik. Voorafgaand aan de beoogde biopsieën van elke regio, of voorafgaand aan endoscopische polypectomie, wordt de SPECTRA IMDx-sonde ingebracht door het werkkanaal van de colonoscoop om contact te maken met het slijmvliesoppervlak om de Raman-signalen te verzamelen. Biopsieën worden vervolgens verkregen en zodanig gelabeld dat de verkregen Raman-signalen kunnen worden gecorreleerd met de gouden standaard van histologie voor het creëren van diagnostische classificaties. Er worden geen procedures op geluidsband, film / video of ander elektronisch medium geplaatst als onderdeel van de studievereiste. Endoscopiebevindingen worden vastgelegd in het standaard elektronische medische rapportformaat. Endoscopie- en histologieresultaten worden getranscribeerd naar het patiëntcasusrapport en geanonimiseerd.

Ernst van slijmvliesontsteking Classificatiesystemen voor endoscopische beoordeling van ziekteactiviteit zijn gepubliceerd.31 Voor UC en IC zal de ernst van de ziekteactiviteit worden beschreven op basis van Mayo Endoscopic Subscore6 en UCEIS. UCEIS is gevalideerd.

Voor coeliakie is de definitie van de ernst van de endoscopische ziekte niet alleen afhankelijk van de ernst van de slijmvliesontsteking, en scoresystemen zoals de ziekte van Crohn endoscopische index van ernst (CDEIS) en eenvoudige endoscopische score voor de ziekte van Crohn (SES-CD) omvatten andere componenten zoals als ziekteverspreiding en de aanwezigheid van luminale vernauwing als onderdeel van de beoordeling. Zowel CDEIS als SES-CD zijn gevalideerde scoresystemen. Aangezien de onderzoeksinteresse uitsluitend gericht is op de beoordeling van mucosale ontsteking, zullen voor deze studie de descriptoren worden gebruikt die worden gebruikt voor mucosale betrokkenheid, gebaseerd op SES-CD, en mucosale genezing zal worden gedefinieerd als afwezigheid van mucosale ulceratie.

Focale platte of polypoïde laesies De morfologie van gedetecteerde oppervlakkige laesies die verdacht zijn van hyperplasie of dysplasie zal worden beschreven aan de hand van de bijgewerkte classificatie van Parijs (tabel 3, figuur 3).32 Een sessiele laesie heeft een verticale hoogte van >2,5 mm, terwijl die voor licht verheven laesie <2,5 mm is. Voor een uitgegraven laesie is de diepte > 1,2 mm, terwijl deze minder is dan 1,2 mm voor een licht depressieve laesie. Een biopsietang die in de lengterichting naast de laesie is geplaatst, is een nuttige referentiestandaard (de diameter met gesloten bek is 2,5 mm, terwijl de diameter van een enkele bek 1,2 mm is). De geschatte grootte, kleur en marges van de laesie zullen worden beschreven. De endoscopische diagnose wordt gedocumenteerd.

Documentatie van histologische bevindingen Histologische ernst van slijmvliesontsteking Er zijn classificatiesystemen gepubliceerd voor histologische beoordeling van ziekteactiviteit. Voor UC of IC wordt dit beoordeeld met behulp van de Nancy Histological Index. Graad 0 en 1 definieert histologische remissie, 2 definieert licht actieve ziekte, 3 definieert matig actieve ziekte en 4 definieert ernstig actieve ziekte. De Nancy-index is gevalideerd.

Voor CD zal dit worden beoordeeld met behulp van een scoresysteem dat eerder is ontwikkeld door de IBD-onderzoeksgroep in Leuven, België. Dit scoresysteem is niet gevalideerd, hoewel het veel wordt gebruikt voor onderzoek.

Focale platte of polypoïde laesies De WHO-classificatie voor colorectale gekartelde laesies en poliepen en het Riddell-systeem voor classificatie van IBD-geassocieerde dysplasie zullen worden gebruikt. IBD-geassocieerde dysplasie wordt gedefinieerd als een ondubbelzinnige neoplastische verandering van het colonepitheel. Benadrukt moet worden dat dergelijk dysplastisch epitheel niet alleen een marker of voorloper van carcinoom kan zijn, maar zelf ook kwaadaardig kan zijn en gepaard kan gaan met directe invasie in het onderliggende weefsel. Deze definitie is analoog aan de definitie van dysplasie in adenomen van het colon bij afwezigheid van IBD, in neoplastische laesies van de rest van het maagdarmkanaal en in ander epitheel. Dysplasie wordt geïdentificeerd op basis van een combinatie van microscopische kenmerken, waaronder 1) architectonische verandering die groter is dan die van herstel bij chronische colitis, die vaak lijkt op de glandulaire opstelling van adenomen, en 2) cytologische afwijkingen, voornamelijk cellulair en nucleair pleomorfisme, nucleair hyperchromatisme, verlies van nucleaire polariteit en duidelijke gelaagdheid van kernen.