Sistema de Inteligência Artificial Baseado em Espectroscopia Raman na Doença Inflamatória Intestinal

1. ANTECEDENTES E FUNDAMENTAÇÃO As doenças inflamatórias intestinais (DII) são doenças inflamatórias crónicas que podem ser categorizadas como colite ulcerosa (UC), doença de Crohn (DC) e colite indeterminada (IC). A UC é caracterizada por inflamação crônica da mucosa começando distalmente no reto, com extensão contínua proximalmente por uma distância variável, muitas vezes com uma demarcação abrupta entre mucosa inflamada e não inflamada. A DC é caracterizada por segmentos descontínuos de inflamação granulomatosa crônica que pode ser transmural e envolve o intestino delgado, além do cólon, bem como o trato gastrointestinal superior.1 O termo IC é usado quando é difícil diferenciar entre UC e DC. UC, DC e IC são condições crônicas, progressivas e incapacitantes. O tratamento precisa ir além do controle dos sintomas e visar tratar lesões endoscópicas/macroscópicas com o objetivo final de prevenir danos estruturais e incapacidades, melhorando assim os resultados clínicos a longo prazo. Embora a remissão endoscópica seja o alvo atual do tratamento, dados emergentes sugerem que alcançar remissão profunda com remissão histológica, em vez de apenas remissão endoscópica, pode conferir benefícios adicionais. Os sistemas de gravidade endoscópica comumente usados ​​que se correlacionam bem com a atividade clínica e biológica incluem a pontuação endoscópica de Mayo modificada6 e o ​​Índice de gravidade endoscópica de colite ulcerativa (UCEIS) para UC e o Índice de gravidade endoscópica da doença de Crohn (CDEIS) e a pontuação de atividade endoscópica simplificada para Doença de Crohn (SES-CD) para DC. No entanto, a variação entre observadores continua sendo uma limitação significativa para essas pontuações visuais. Além disso, também pode haver falta de concordância entre remissão endoscópica e histológica. Pacientes com DII com colite de longa duração correm o risco de desenvolver displasia e câncer colorretal (CRC). Vários estudos de caso-controle e estudos de coorte de base populacional mostraram que a vigilância endoscópica melhora a sobrevida relacionada ao CRC em pacientes com DII com risco aumentado de câncer de cólon. A vigilância endoscópica é amplamente recomendada pelas sociedades gastrointestinais internacionais para a detecção precoce e ressecção de displasia ou CCR. No entanto, ao contrário dos pacientes sem DII, pode ser difícil diagnosticar a displasia em pacientes com DII durante a colonoscopia, pois a displasia frequentemente se manifesta como lesões não pediculadas que apresentam apenas alterações visíveis sutis ou até mesmo invisíveis devido à inflamação circundante, cicatrizes e pseudopólipos ou hiperplasia. Embora a endoscopia com luz branca de alta definição e a cromoendoscopia sejam a modalidade padrão atual de imagem, ainda há uma lacuna a ser preenchida em termos de melhorar o diagnóstico endoscópico da displasia e melhorar a concordância da remissão endoscópica e histológica.

A espectroscopia Raman é uma técnica de dispersão de luz inelástica capaz de fornecer impressões digitais espectroscópicas específicas de composições moleculares e estruturas de tecidos biológicos. Quando a energia luminosa incide sobre um tecido, a energia luminosa é absorvida e subsequentemente espalhada. Grande parte da energia é espalhada elasticamente, mas uma pequena quantidade (<1%) é espalhada inelasticamente. Essa dispersão inelástica é denominada dispersão Raman e é medida por mudanças de comprimento de onda que estão associadas a composições moleculares distintas. Por exemplo, faixas espectrais de 850 - 1150, 1200 - 1500 e 1600 - 1750 cm-1 correspondem a sinais relacionados a proteínas, ácidos nucléicos e lipídios, respectivamente. O tecido canceroso está associado a uma taxa metabólica mais alta e, portanto, a uma composição molecular diferente do tecido não canceroso. Ao investigar os espectros Raman do tecido, que também servem como uma bio-impressão digital, os investigadores podem identificar se o tecido é canceroso ou não canceroso. A espectroscopia Raman foi relatada para a caracterização e diagnóstico de tecido colorretal ex vivo. Molckovsky et al aplicaram uma sonda Raman compatível com endoscópio para diagnóstico diferencial entre adenoma e pólipo hiperplásico in vivo, mas os espectros Raman de tecido adquiridos foram limitados à chamada faixa de impressão digital (FP) (ou seja, 800-1800 cm-1) e o tempo de aquisição foi longo (>5 s) impraticável para exames endoscópicos clínicos de rotina. A eficiência diagnóstica da espectroscopia Raman FP pode ser comprometida em pacientes devido a sinais Raman teciduais intrinsecamente muito fracos e autofluorescência tecidual (AF) avassaladora dos órgãos internos. Além da neoplasia colorretal, a espectroscopia Raman tem sido estudada no contexto de IBD em estudos ex-vivo e in-vivo de pequena escala, com resultados promissores em termos de diferenciação de cicatrização e inflamação da mucosa, e diferenciar CU de DC. os estudos enfrentam limitações semelhantes aos estudos em neoplasia colorretal, principalmente no que diz respeito à praticidade para um diagnóstico in vivo eficiente. Atenções recentes foram direcionadas para o uso do regime de alto número de onda (HW) (por exemplo, 2800-3600 cm-1), pois a faixa espectral de HW exibe sinais Raman de tecido mais fortes, tendo menos interferência de fundo de AF de tecido e sondas de fibra óptica . Existem várias razões para combinar as técnicas FP e HW Raman para medições Raman de tecido in vivo: (i) Para tecidos que podem exibir AF intenso sobrecarregando os sinais FP Raman do tecido, a faixa de HW ainda pode conter picos Raman intensos de tecido para diagnóstico de tecido; (ii) Os espectros FP e HW Raman oferecem informações biomoleculares complementares, e a combinação da técnica FP/HW Raman pode melhorar a caracterização e o diagnóstico dos tecidos. Muito recentemente, um novo endoscópio Raman de excitação de 785 nm de segunda geração que pode medir simultaneamente os espectros FP Raman (ou seja, 800-1800 cm-1) e o alto número de onda (HW) (ou seja, 2800-3600 cm-1) Raman espectros em tempo real (< 0,5 s) para melhorar a caracterização e diagnóstico de tecidos in vivo durante a colonoscopia foi desenvolvido. A técnica simultânea FP/HW Raman é integrada com uma sonda Raman de fibra óptica compatível com endoscópio de 1,8 mm acoplada a uma lente esférica de safira para sondar assinaturas biomoleculares da subsuperfície do tecido colorretal associado à displasia. Isso foi usado para criar o sistema SPECTRA IMDx que interroga o tecido no nível celular e utiliza informações moleculares para fornecer aos médicos informações acionáveis ​​in vivo em tempo real durante a colonoscopia. O SPECTRA IMDx compreende um sistema de laser, um espectrômetro, um computador com um algoritmo de análise instalado e outras peças auxiliares. A sonda SPECTRA IMDx está conectada ao sistema principal. A sonda SPECTRA IMDx é um conjunto de fibras ópticas e componentes ópticos dispostos para transmissão máxima de energia luminosa. Quando em uso, o sistema de laser emitirá um laser infravermelho próximo de 785nm que será transmitido através da sonda SPECTRA IMDx para a extremidade distal. Quando o laser é interrogado sobre a superfície do tecido, a energia da luz é absorvida e refletida. A energia refletida é então coletada da extremidade distal da sonda SPECTRA IMDx, transmitida de volta ao sistema principal e passada pelo espectrômetro. O sinal coletado é então processado para obter o sinal Raman limpo para classificação diagnóstica.

Atualmente, faltam dados sobre a aplicação dessa nova tecnologia no contexto das DII. Especificamente, se os sinais espectrais gerados podem ser usados ​​para classificar melhor a remissão da doença e, assim, alcançar maior concordância com a histologia quando comparado à endoscopia padrão. Também não está claro se esta tecnologia pode ser usada para diferenciar a mucosa displásica da mucosa não displásica em pacientes com DII.

Visão geral Este é um estudo observacional prospectivo de todos os indivíduos com DII (DC, UC ou IC) submetidos à colonoscopia durante um período de 24 meses. O fluxo de trabalho é resumido na figura 2. O consentimento informado será obtido pelo investigador antes da inscrição no estudo. A participação do sujeito neste estudo durará apenas a duração do procedimento de colonoscopia, que é de cerca de 30 a 45 minutos. Os indivíduos não serão obrigados a fazer uma visita adicional ao hospital para o estudo.

Preparação do intestino e procedimento endoscópico Antes da colonoscopia, os indivíduos são obrigados a limpar o cólon usando a preparação do intestino de acordo com a prática clínica padrão. A colonoscopia é realizada com ou sem sedação, a critério do endoscopista e do paciente. Durante o processo de colonoscopia, que é realizado usando sistema de endoscopia de alta definição com ou sem cromoendoscopia adjuvante, biópsias da mucosa colônica podem ser obtidas para avaliação do estado de atividade da doença ou para esclarecer a natureza de uma lesão focal detectada, que pode ser não neoplásicos, como pólipos hiperplásicos ou pós-inflamatórios, ou neoplásicos, como displasia associada a IBD ou neoplasia colorretal esporádica. Os achados do cólon ascendente, cólon transverso, cólon descendente, cólon sigmóide e reto serão registrados separadamente. As lesões também podem ser ressecadas com uma alça. Antes das biópsias pretendidas de cada região ou antes da polipectomia endoscópica, a sonda SPECTRA IMDx será inserida através do canal de trabalho do colonoscópio para fazer contato com a superfície da mucosa para coletar os sinais Raman. As biópsias são então obtidas e rotuladas de modo que os sinais Raman adquiridos possam ser correlacionados com o padrão-ouro da histologia para a criação de classificadores de diagnóstico. Nenhum procedimento será colocado em fita de áudio, filme/vídeo ou outro meio eletrônico como parte do requisito do estudo. Os achados da endoscopia serão registrados no formato de relatório médico eletrônico padrão. Os resultados da endoscopia e da histologia serão transcritos para o formulário de relato de caso do paciente e desidentificados.

Gravidade da inflamação da mucosa Sistemas de classificação para avaliação endoscópica da atividade da doença foram publicados.31 Para UC e IC, a gravidade da atividade da doença será descrita com base no Mayo Endoscopic Subscore6 e UCEIS. UCEIS foi validado.

Para DC, a definição de gravidade da doença endoscópica não depende apenas da gravidade da inflamação da mucosa, e sistemas de pontuação como o Índice Endoscópico de Gravidade da Doença de Crohn (CDEIS) e o Escore Endoscópico Simples para a doença de Crohn (SES-CD) incorporam outros componentes, como como distribuição da doença e a presença de estreitamento luminal como parte da avaliação. Tanto o CDEIS quanto o SES-CD são sistemas de pontuação validados. Para este estudo, como o interesse da pesquisa é apenas a avaliação da inflamação da mucosa, serão utilizados os descritores utilizados para envolvimento da mucosa, com base na SES-CD, e a cicatrização da mucosa será definida como ausência de ulceração da mucosa.

Lesões focais planas ou polipoides A morfologia das lesões superficiais detectadas, suspeitas de hiperplasia ou displasia, será descrita usando a Classificação de Paris atualizada (tabela 3, figura 3).32 Uma lesão séssil tem uma altura vertical > 2,5 mm, enquanto a lesão levemente elevada é < 2,5 mm. Para uma lesão escavada, a profundidade é > 1,2mm, enquanto é menor que 1,2mm para lesão levemente deprimida. A pinça de biópsia colocada longitudinalmente ao lado da lesão é um padrão de referência útil (o diâmetro com mandíbulas fechadas é de 2,5 mm, enquanto o diâmetro de uma única mandíbula é de 1,2 mm). O tamanho estimado, cor e margens da lesão serão descritos. O diagnóstico endoscópico será documentado.

Documentação de achados histológicos Gravidade histológica da inflamação da mucosa Foram publicados sistemas de classificação para avaliação histológica da atividade da doença. Para UC ou IC, isso será avaliado usando o Índice Histológico de Nancy. Os graus 0 e 1 definem remissão histológica, 2 define doença levemente ativa, 3 define doença moderadamente ativa e 4 define doença gravemente ativa. O índice de Nancy foi validado.

Para DC, isso será avaliado usando um sistema de pontuação previamente desenvolvido pelo grupo de pesquisa IBD em Leuven, Bélgica. Este sistema de pontuação não foi validado, embora seja amplamente utilizado para pesquisa.

Lesões focais planas ou polipoides A classificação da OMS para lesões serrilhadas e pólipos colorretais e o sistema de Riddell para classificação de displasia associada a DII serão usados. A displasia associada à DII é definida como uma alteração neoplásica inequívoca do epitélio colônico. Deve-se enfatizar que esse epitélio displásico não só pode ser um marcador ou precursor de carcinoma, mas também pode ser maligno e estar associado à invasão direta no tecido subjacente. Esta definição é análoga à definição de displasia em adenomas do cólon na ausência de DII, em lesões neoplásicas do restante do trato gastrointestinal e em outros epitélios. A displasia é identificada com base em uma combinação de características microscópicas, incluindo 1) alteração arquitetônica superior àquela resultante do reparo na colite crônica, muitas vezes semelhante ao arranjo glandular dos adenomas e 2) anormalidades citológicas, principalmente pleomorfismo celular e nuclear, hipercromatismo nuclear, perda da polaridade nuclear e estratificação acentuada dos núcleos.