Łączenie radiomiki opartej na głębokim uczeniu się z płynną biopsją w przedoperacyjnej i nieinwazyjnej diagnostyce glejaka

Glejaki są najczęstszymi pierwotnymi nowotworami wewnątrzczaszkowymi, stanowiąc 27% wszystkich pierwotnych guzów mózgu, a każdego roku na całym świecie diagnozuje się glejaki rozsiane. Do tej pory „diagnostyka zintegrowana” była uważana za złoty standard w diagnostyce glejaka, który łączy histopatologię, patologię molekularną i ocenę Światowej Organizacji Zdrowia (WHO). Wcześniejsze kryteria diagnostyczne glejaka opierały się głównie na biopsjach histopatologicznych, podczas gdy klasyfikacja histologiczna była tradycyjnie określana na podstawie morfologii guza, co skutkowało zmiennością między obserwatorami z powodu heterogeniczności przestrzennej guza i błędów pobierania próbek. Ponadto w tradycyjnej histopatologii trudno jest wyjaśnić, dlaczego pacjenci z tą samą patologią mają znacząco różne przeżycia. W ciągu ostatniej dekady postępy w patologii molekularnej i technikach wykrywania histopatologicznego pogłębiły naszą wiedzę na temat cech molekularnych i biologii glejaków. Coraz więcej dowodów wskazuje na ważną rolę statusu molekularnego w „zintegrowanej diagnostyce” glejaka. W szczególności, po tym, jak koncepcja diagnostyki molekularnej została zaproponowana w klasyfikacji WHO ośrodkowego układu nerwowego (CNS) z 2016 r., klasyfikacja CNS z 2021 r. (CNS5) ponownie podkreśliła znaczenie kilku biomarkerów molekularnych w diagnostyce i wskazówkach dotyczących leczenia glejaków, w tym genu dehydrogenazy izocytrynianowej (IDH ) status mutacji, status delecji sprzężonej z chromosomem X (ATRX), status delecji 1p19q, mutacja promotora odwrotnej transkryptazy telomerazy (TERT), itp. Celem jest bardziej systematyczna klasyfikacja podtypów guzów i zaklasyfikowanie pacjentów z glejakiem o podobnej skuteczności i rokowaniu do podgrup.

Obecnym standardem leczenia glejaków jest resekcja chirurgiczna, po której następuje radioterapia i/lub chemioterapia w oparciu o cechy kliniczne i stopień złośliwości nowotworu oraz charakterystykę molekularną. Przedoperacyjna, nieinwazyjna i dokładna wczesna „zintegrowana diagnostyka” przyniesie ogromne korzyści w leczeniu i rokowaniu pacjentów, zwłaszcza tych ze szczególną lokalizacją guza, u których nie można wykonać kraniotomii ani biopsji igłowej. Tacy wyjątkowi pacjenci mogą poddać się eksperymentalnej radioterapii i chemioterapii w oparciu o wyniki nieinwazyjnej diagnostyki. Chociaż kryteria diagnostyczne dotyczące informacji molekularnych w glejakach często opierają się na biopsji tkanki, inne techniki, takie jak radiomika, radiogenomika i płynna biopsja, okazały się obiecujące. Obecnie konwencjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) jest nadal główną metodą wspomagającą diagnostykę glejaków, w tym T1w, T2w i T2w-FLAIR przed i po kontraście. Multimodalna radiomika oparta na głębokim uczeniu się (DL) może analizować wzorce heterogeniczności wewnątrz guza i cechy obrazowania guza, które są niezauważalne dla ludzkiego oka, aby przeprowadzić „zintegrowane przewidywanie” glejaków18. Do tej pory większość badań koncentrowała się na wykorzystaniu algorytmów ML do skonstruowania nowego modelu radiomicznego do przewidywania glejaka, R van der Voort i in. opracowali model wielozadaniowej konwencjonalnej sieci neuronowej (CNN) i osiągnęli stopień glejaka (II/III/IV) z AUC 0,81, IDH-AUC 90%, AUC współdelecji 1p19q 0,85 w zbiorze testowym. Najlepszy model DL opracowany przez Matsui i in. osiągnął ogólną dokładność 65,9% w przewidywaniu mutacji IDH i ko-delecji 1p/19q. Również wielozadaniowy model CNN skonstruowany przez Decuypera i in. osiągnął 94%, 86% i 87% dokładność w przewidywaniu stopni, mutacji IDH i stanów ko-delecji 1p/19q w walidacji zewnętrznej. Model skonstruowany przez Luo et al. uzyskał 83,9% i 80,4% w zewnętrznych testach histologicznej i molekularnej diagnostyki podtypów. Oprócz „zintegrowanej prognozy” istnieje wiele modeli, które przewidują jedynie stopień zaawansowania glejaka lub pojedyncze markery molekularne. Tymczasem poprzednie badania opierały się na klasyfikacji OUN z 2016 r. pod kątem klasyfikacji glejaka i przewidywania podtypów molekularnych. Dlatego pilnie potrzebny jest wielozadaniowy model radiomiki DL do przedoperacyjnego i nieinwazyjnego przewidywania stopnia zaawansowania glejaka oraz bardziej rozbudowanych markerów molekularnych, zgodnie z najnowszą klasyfikacją OUN z 2021 r.

Chociaż radiomika wykazała pewną wykonalność w przewidywaniu patologii molekularnej guza, podawanie precyzyjnie ukierunkowanej terapii wyłącznie na podstawie tej prognozy jest śmieszne. Dlatego mamy nadzieję dostarczyć więcej dowodów klinicznych na patologiczną diagnostykę molekularną pacjentów z glejakami, wykorzystując technikę płynnej biopsji jako ważne uzupełnienie radiomiki. Krążące komórki nowotworowe (CTC), jako jedna z technik płynnej biopsji, mają ten sam ostateczny cel, jakim jest przedoperacyjna, nieinwazyjna i dokładna diagnostyka glejaków.

W oparciu o kilka ograniczeń obecnych modeli diagnostycznych glejaka oraz połączone metody radiomiki i płynnej biopsji mają ogromny potencjał w nieinwazyjnej diagnostyce stopniowania glejaka i markerów molekularnych, ponieważ oba są łatwe do wykonania. Ponadto, zgodnie z naszą wiedzą, nie przeprowadzono badań dotyczących przedoperacyjnej nieinwazyjnej diagnostyki glejaka w kontekście radiomiki wspomaganej płynną biopsją.

Dlatego niniejsze badanie ma następujące cele. Po pierwsze, zgodnie z wytycznymi klasyfikacji CNS WHO z 2021 r., skonstruowaliśmy i przetestowaliśmy zewnętrznie wielozadaniowy model DL do jednoczesnej diagnozy segmentacji guza, klasyfikacji glejaka i bardziej rozbudowanego podtypu molekularnego, w tym mutacji IDH, statusu delecji ATRX, 1p19q co- delecja, status mutacji genu TERT itp. Po drugie, opierając się na tym samym ostatecznym celu biopsji płynnej i radiomiki, w innowacyjny sposób przedstawiliśmy koncepcję i pomysł połączenia technologii radiomiki i biopsji płynnej w celu poprawy diagnostyki glejaka. A dzięki naszym badaniom zapewni pewne kliniczne potwierdzenie tej koncepcji, mając nadzieję na dostarczenie nowych pomysłów do dalszych badań i wspieranie podejmowania decyzji klinicznych.