Система искусственного интеллекта на основе рамановской спектроскопии при воспалительных заболеваниях кишечника

1. ПРЕДПОСЫЛКИ И ОБОСНОВАНИЕ Воспалительные заболевания кишечника (ВЗК) представляют собой хронические воспалительные заболевания, которые можно классифицировать как язвенный колит (ЯК), болезнь Крона (БК) и неопределенный колит (ИК). ЯК характеризуется хроническим воспалением слизистой оболочки, начинающимся дистально в прямой кишке, с непрерывным распространением проксимально на разное расстояние, часто с резкой границей между воспаленной и невоспаленной слизистой оболочкой. CD характеризуется прерывистыми сегментами хронического гранулематозного воспаления, которое может быть трансмуральным и вовлекать тонкий кишечник в дополнение к толстой кишке, а также верхние отделы желудочно-кишечного тракта. Термин IC используется, когда трудно отличить ЯК от БК. ЯК, БК и ИЦ являются хроническими, прогрессирующими и инвалидизирующими состояниями. Лечение должно выходить за рамки контроля симптомов и направлено на лечение эндоскопических/макроскопических поражений с конечной целью предотвращения структурных повреждений и инвалидности, тем самым улучшая долгосрочные клинические результаты. Хотя в настоящее время целью лечения является эндоскопическая ремиссия, новые данные свидетельствуют о том, что достижение глубокой ремиссии с помощью гистологической ремиссии, а не только эндоскопической ремиссии, может дать дополнительные преимущества. Обычно используемые эндоскопические системы тяжести, которые хорошо коррелируют с клинической и биологической активностью, включают модифицированную эндоскопическую шкалу Мейо6 и эндоскопический индекс тяжести язвенного колита (UCEIS) для язвенного колита, а также эндоскопический индекс тяжести болезни Крона (CDEIS) и упрощенную эндоскопическую шкалу активности для Болезнь Крона (SES-CD) для CD. Однако различия между наблюдателями остаются значительным ограничением для этих визуальных оценок. Кроме того, может также отсутствовать соответствие между эндоскопической и гистологической ремиссией. Пациенты с ВЗК с длительно существующим колитом подвержены риску развития дисплазии и колоректального рака (КРР). Многочисленные исследования случай-контроль и популяционные когортные исследования показали, что эндоскопическое наблюдение улучшает выживаемость, связанную с колоректальным раком, у пациентов с ВЗК с повышенным риском рака толстой кишки. Международные желудочно-кишечные общества широко рекомендуют эндоскопическое наблюдение для раннего выявления и удаления дисплазии или CRC. Однако, в отличие от пациентов без ВЗК, диагностировать дисплазию у пациентов с ВЗК во время колоноскопии может быть сложно, так как дисплазия часто проявляется в виде поражений без ножки, которые представляют собой лишь незначительные видимые изменения или даже невидимы из-за окружающего воспаления, рубцевания, псевдополипов. или гиперплазия. Хотя эндоскопия высокого разрешения в белом свете и хромоэндоскопия в настоящее время являются стандартными методами визуализации, все еще существует пробел, который необходимо заполнить с точки зрения улучшения эндоскопической диагностики дисплазии и улучшения соответствия эндоскопической и гистологической ремиссии.

Спектроскопия комбинационного рассеяния света — это метод неупругого рассеяния света, который позволяет получить специфические спектроскопические характеристики молекулярных составов и структур биологических тканей. Когда световая энергия падает на ткань, световая энергия поглощается и затем рассеивается. Большая часть энергии рассеивается упруго, но небольшое количество (<1%) рассеивается неупруго. Такое неупругое рассеяние называется комбинационным рассеянием и измеряется сдвигом длины волны, связанным с различным молекулярным составом. Например, спектральные диапазоны 850–1150, 1200–1500 и 1600–1750 см-1 соответствуют сигналам, относящимся к белкам, нуклеиновым кислотам и липидам соответственно. Раковая ткань связана с более высокой скоростью метаболизма и, следовательно, отличается молекулярным составом от нераковой ткани. Исследуя спектры комбинационного рассеяния ткани, которые также служат биологическим отпечатком, исследователи могут определить, является ли ткань раковой или доброкачественной. Сообщалось, что рамановская спектроскопия используется для характеристики колоректальной ткани и диагностики ex vivo. Molckovsky и соавт. применили совместимый с эндоскопом рамановский датчик для дифференциальной диагностики между аденомой и гиперпластическим полипом in vivo, но полученные спектры комбинационного рассеяния тканей были ограничены так называемым диапазоном отпечатков пальцев (FP) (т. е. 800-1800 см-1) и время сбора данных было длительным (> 5 с), что было нецелесообразно для рутинных клинических эндоскопических исследований. Диагностическая эффективность FP-спектроскопии комбинационного рассеяния света у пациентов может быть снижена из-за изначально очень слабых сигналов комбинационного рассеяния тканей и подавляющей аутофлуоресценции тканей (AF) внутренних органов. В дополнение к колоректальной неоплазии, спектроскопия комбинационного рассеяния изучалась в контексте ВЗК в небольших исследованиях ex-vivo и in-vivo с многообещающими результатами с точки зрения дифференциации заживления и воспаления слизистой оболочки и дифференциации ЯК от БК. исследования сталкиваются с теми же ограничениями, что и исследования колоректальной неоплазии, особенно в отношении практичности для эффективной диагностики in vivo. В последнее время внимание было направлено на использование режима с высоким волновым числом (HW) (например, 2800–3600 см-1), поскольку в спектральном диапазоне HW наблюдаются более сильные сигналы комбинационного рассеяния ткани при меньшем уровне фоновых помех как от тканевой АФ, так и от волоконно-оптических датчиков. . Существует несколько причин для объединения методов комбинационного рассеяния FP и HW для измерений рамановского рассеяния тканей in vivo: (i) для тканей, которые могут демонстрировать интенсивную AF, подавляющую сигналы рамановского рассеяния ткани, диапазон HW может по-прежнему содержать интенсивные пики рамановского рассеяния ткани для диагностики тканей; (ii) Спектры комбинационного рассеяния FP и HW дают дополнительную биомолекулярную информацию, а сочетание метода FP/HW Raman может улучшить характеризацию и диагностику тканей. Совсем недавно появился новый рамановский эндоскоп второго поколения с возбуждением на длине волны 785 нм, который может одновременно измерять как спектры комбинационного рассеяния FP (т. е. 800–1800 см-1), так и высоковолновые (т. е. спектры в режиме реального времени (<0,5 с) для улучшения характеристики тканей in vivo и диагностики во время колоноскопии. Одновременный метод комбинационного рассеяния FP/HW объединен с 1,8-мм совместимым с эндоскопом волоконно-оптическим датчиком комбинационного рассеяния в сочетании с сапфировой линзой для зондирования биомолекулярных сигнатур из подповерхностных колоректальных тканей, связанных с дисплазией. Это было использовано для создания системы SPECTRA IMDx, которая исследует ткани на клеточном уровне и использует молекулярную информацию, чтобы предоставить врачам полезную информацию в реальном времени in vivo во время колоноскопии. SPECTRA IMDx состоит из лазерной системы, спектрометра, компьютера с установленным алгоритмом анализа и других вспомогательных частей. Зонд SPECTRA IMDx подключен к основной системе. Зонд SPECTRA IMDx представляет собой сборку оптических волокон и оптических компонентов, предназначенных для максимальной передачи световой энергии. При использовании лазерная система будет излучать лазер ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны 785 нм, который будет передаваться через зонд SPECTRA IMDx на дистальный конец. Когда лазер воздействует на поверхность ткани, световая энергия поглощается и отражается. Затем отраженная энергия собирается с дистального конца зонда SPECTRA IMDx, передается обратно в основную систему и проходит через спектрометр. Собранный сигнал затем обрабатывается для получения чистого рамановского сигнала для диагностической классификации.

В настоящее время недостаточно данных о применении этой новой технологии в контексте ВЗК. В частности, можно ли использовать генерируемые спектральные сигналы для лучшей классификации ремиссии заболевания и, таким образом, для достижения более высокой согласованности с гистологией по сравнению со стандартной эндоскопией. Также неясно, можно ли использовать эту технологию для дифференциации диспластической слизистой оболочки от недиспластической слизистой оболочки у пациентов с ВЗК.

Обзор Это проспективное обсервационное исследование всех субъектов с ВЗК (БК, ЯК или ИЦ), которым проводилась колоноскопия в течение 24-месячного периода. Рабочий процесс показан на рисунке 2. Информированное согласие будет получено исследователем до включения в исследование. Участие субъекта в этом исследовании будет продолжаться только в течение процедуры колоноскопии, которая составляет от 30 до 45 минут. Субъектам не потребуется совершать дополнительный визит в больницу для исследования.

Подготовка кишечника и эндоскопическая процедура Перед колоноскопией субъекты должны очистить толстую кишку с помощью подготовки кишечника в соответствии со стандартной клинической практикой. Колоноскопия проводится с седацией или без нее на усмотрение эндоскописта и пациента. В процессе колоноскопии, которая проводится с помощью эндоскопической системы высокого разрешения с дополнительной хромоэндоскопией или без нее, могут быть получены биопсии слизистой оболочки толстой кишки либо для оценки состояния активности заболевания, либо для уточнения характера выявленного очагового поражения, которое может быть неопластические, такие как гиперпластические или поствоспалительные полипы, или неопластические, такие как дисплазия, связанная с ВЗК, или спорадическая колоректальная неоплазия. Результаты для восходящей ободочной кишки, поперечной ободочной кишки, нисходящей ободочной кишки, сигмовидной кишки и прямой кишки будут регистрироваться отдельно. Поражения также могут быть резецированы с помощью петли. Перед предполагаемой биопсией каждой области или перед эндоскопической полипэктомией зонд SPECTRA IMDx будет вставлен через рабочий канал колоноскопа для установления контакта с поверхностью слизистой оболочки для сбора сигналов комбинационного рассеяния. Затем получают биоптаты и маркируют их таким образом, чтобы полученные рамановские сигналы можно было соотнести с золотым стандартом гистологии для создания диагностических классификаторов. Никакие процедуры не будут помещены на аудиокассету, фильм/видео или другой электронный носитель в рамках требований исследования. Результаты эндоскопии будут зарегистрированы в стандартном формате электронного медицинского заключения. Результаты эндоскопии и гистологии будут занесены в форму истории болезни пациента и деидентифицированы.

Тяжесть воспаления слизистой оболочки Были опубликованы системы классификации для эндоскопической оценки активности заболевания.31 Для ЯК и ИЦ тяжесть активности заболевания будет описана на основе эндоскопической шкалы Майо6 и UCEIS. УЦЭИС прошел валидацию.

Для целиакии определение тяжести эндоскопического заболевания зависит не только от тяжести воспаления слизистой оболочки, и системы оценки, такие как эндоскопический индекс тяжести болезни Крона (CDEIS) и простая эндоскопическая шкала болезни Крона (SES-CD), включают другие компоненты, такие как как распространение болезни и наличие сужения просвета как часть оценки. И CDEIS, и SES-CD являются проверенными системами оценки. Для этого исследования, поскольку исследовательский интерес представляет исключительно оценка воспаления слизистой оболочки, будут использоваться дескрипторы, используемые для поражения слизистой оболочки, на основе SES-CD, а заживление слизистой оболочки будет определяться как отсутствие изъязвления слизистой оболочки.

Очаговые плоские или полипоидные поражения. Морфология обнаруженных поверхностных поражений, подозрительных на гиперплазию или дисплазию, будет описана с использованием Обновленной Парижской классификации (таблица 3, рисунок 3)32. Сидячий очаг имеет вертикальную высоту > 2,5 мм, тогда как слегка приподнятый очаг < 2,5 мм. Для экскавированного поражения глубина составляет > 1,2 мм, тогда как для слегка вдавленного поражения она составляет менее 1,2 мм. Биопсийные щипцы, расположенные продольно рядом с поражением, являются полезным эталоном (диаметр с закрытыми браншами составляет 2,5 мм, а диаметр одной бранши составляет 1,2 мм). Будут описаны предполагаемый размер, цвет и границы поражения. Эндоскопический диагноз будет задокументирован.

Документация результатов гистологического исследования Гистологическая тяжесть воспаления слизистой оболочки Были опубликованы системы классификации для гистологической оценки активности заболевания. Для ЯК или ИЦ это будет оцениваться с использованием гистологического индекса Нэнси. Степень 0 и 1 определяет гистологическую ремиссию, 2 определяет слабое активное заболевание, 3 определяет умеренно активное заболевание и 4 определяет тяжелое активное заболевание. Индекс Нэнси был утвержден.

Для CD это будет оцениваться с использованием системы баллов, ранее разработанной исследовательской группой IBD в Левене, Бельгия. Эта система оценки не была утверждена, хотя она широко используется в исследованиях.

Фокальные плоские или полиповидные поражения Будет использоваться классификация ВОЗ для колоректальных зубчатых поражений и полипов и система Ридделла для классификации дисплазии, связанной с ВЗК. Дисплазия, связанная с ВЗК, определяется как однозначное неопластическое изменение эпителия толстой кишки. Следует подчеркнуть, что такой диспластический эпителий может быть не только маркером или предшественником карциномы, но и сам может быть злокачественным и ассоциироваться с прямой инвазией в подлежащие ткани. Это определение аналогично определению дисплазии при аденомах толстой кишки при отсутствии ВЗК, при опухолевых поражениях остального отдела желудочно-кишечного тракта и в других эпителиях. Дисплазию идентифицируют на основе комбинации микроскопических признаков, включая 1) архитектурные изменения, превышающие таковые в результате репарации при хроническом колите, часто напоминающие железистое расположение аденом, и 2) цитологические аномалии, в основном клеточный и ядерный плеоморфизм, ядерный гиперхроматизм, потеря ядерной полярности и заметное расслоение ядер.