Artificiell intelligens baserat på Raman-spektroskopi vid inflammatorisk tarmsjukdom

1. BAKGRUND OCH MOTIVERING Inflammatoriska tarmsjukdomar (IBD) är kroniska inflammatoriska sjukdomar som kan kategoriseras som ulcerös kolit (UC), Crohns sjukdom (CD) och obestämd kolit (IC). UC kännetecknas av kronisk slemhinneinflammation som startar distalt i ändtarmen, med kontinuerlig förlängning proximalt över ett varierande avstånd, ofta med en abrupt gränsdragning mellan inflammerad och icke-inflammerad slemhinna. CD kännetecknas av diskontinuerliga segment av kronisk granulomatös inflammation som kan vara transmural, och involvera tunntarmen förutom tjocktarmen, såväl som den övre mag-tarmkanalen.1 Termen IC används när det är svårt att skilja mellan UC och CD. UC, CD och IC är kroniska, progressiva och handikappande tillstånd. Behandlingen behöver gå utöver symtomkontroll och syfta till att behandla endoskopiska/makroskopiska lesioner med det slutliga målet att förhindra strukturella skador och funktionshinder, och därigenom förbättra långsiktiga kliniska resultat. Även om endoskopisk remission är det aktuella behandlingsmålet, tyder nya data på att uppnåendet av djup remission med histologisk remission, snarare än bara endoskopisk remission, kan ge ytterligare fördelar. Vanligt använda system för endoskopisk svårighetsgrad som korrelerade väl med klinisk och biologisk aktivitet inkluderar den modifierade Mayo Endoscopic score6 och Ulcerative Colitis Endoscopic Severity Index (UCEIS) för UC och Crohns endoskopiska svårighetsgradsindex (CDEIS) och Simplified Endoscopic Activity Score för Crohns sjukdom (SES-CD) för CD. Variation mellan observatörer är dock fortfarande en betydande begränsning för dessa visuella poäng. Dessutom kan det också finnas en brist på överensstämmelse mellan endoskopisk och histologisk remission. IBD-patienter med långvarig kolit löper risk att utveckla dysplasi och kolorektal cancer (CRC). Flera fall-kontrollstudier och populationsbaserade kohortstudier har visat att endoskopisk övervakning förbättrar CRC-relaterad överlevnad hos IBD-patienter med ökad risk för tjocktarmscancer. Endoskopisk övervakning rekommenderas allmänt av internationella gastrointestinala sällskap för tidig upptäckt och resektion av dysplasi eller CRC. Men till skillnad från icke-IBD-patienter kan det vara utmanande att diagnostisera dysplasi hos IBD-patienter under koloskopi, eftersom dysplasi ofta visar sig som icke-pedunkulerade lesioner som endast uppvisar subtila synliga förändringar eller till och med är osynliga på grund av omgivande inflammation, ärrbildning, pseudopolyper eller hyperplasi. Även om högupplöst vitljusendoskopi och kromoendoskopi är den nuvarande standardmetoden för avbildning, finns det fortfarande ett gap att överbrygga när det gäller att förbättra endoskopisk diagnos av dysplasi och förbättra överensstämmelsen mellan endoskopisk och histologisk remission.

Ramanspektroskopi är en oelastisk ljusspridningsteknik som kan ge specifika spektroskopiska fingeravtryck av molekylära sammansättningar och strukturer av biologiska vävnader. När ljusenergi faller in på en vävnad absorberas ljusenergin och sprids därefter. Mycket av energin sprids elastiskt, men en liten del (<1%) sprids oelastiskt. Sådan oelastisk spridning kallas Raman-spridning och mäts genom våglängdsförskjutningar som är associerade med distinkta molekylära sammansättningar. Till exempel motsvarar spektralområdena 850 - 1150, 1200 - 1500 och 1600 - 1750 cm-1 signaler relaterade till proteiner, nukleinsyror respektive lipider. Cancervävnad är associerad med högre ämnesomsättning och därmed annan molekylär sammansättning från icke-cancervävnad. Genom att undersöka vävnadens Raman-spektra, som också fungerar som ett bio-fingeravtryck, kan utredarna identifiera om vävnaden är cancerös eller icke-cancerös. Ramanspektroskopi har rapporterats för karakterisering av kolorektal vävnad och diagnos ex vivo. Molckovsky et al tillämpade en endoskopkompatibel Raman-sond för differentialdiagnos mellan adenom och hyperplastisk polyp in vivo, men vävnads-ramanspektra som förvärvades begränsades till det så kallade fingeravtrycksintervallet (FP) (dvs. 800-1800 cm-1), och inhämtningstiden var lång (>5 s) vilket var opraktiskt för rutinmässiga kliniska endoskopiska undersökningar. Den diagnostiska effektiviteten av FP Raman-spektroskopi kan äventyras hos patienter på grund av i sig mycket svaga Raman-signaler i vävnaden och överväldigande vävnadsautofluorescens (AF) i de inre organen. Förutom kolorektal neoplasi har Raman-spektroskopi studerats i samband med IBD i småskaliga ex-vivo- och in-vivo-studier, med lovande resultat när det gäller differentiering av slemhinneläkning och inflammation, och skiljer UC från CD. studier möter liknande begränsningar som studierna i kolorektal neoplasi, särskilt när det gäller praktiska ändamål för effektiv in vivo-diagnostik. Den senaste tidens uppmärksamhet har riktats mot användningen av regimen med högt vågtal (t.ex. 2800-3600 cm-1), eftersom HW-spektralområdet uppvisar starkare vävnadsraman-signaler samtidigt som det har mindre bakgrundsinterferens från både vävnads-AF och fiberoptiska sonder . Det finns flera skäl för att kombinera FP- och HW Raman-teknikerna för Raman-mätningar av vävnad in vivo: (i) För vävnader som kan uppvisa intensiv AF som överväldigar vävnadens FP Raman-signaler, kan HW-intervallet fortfarande innehålla intensiva Raman-toppar för vävnad för vävnadsdiagnos; (ii) FP- och HW Raman-spektra erbjuder kompletterande biomolekylär information, och en kombination av FP/HW Raman-teknik kan förbättra vävnadskarakterisering och diagnos. Mycket nyligen, ett nytt andra generationens 785-nm excitations-raman-endoskop som samtidigt kan mäta både FP Raman-spektra (dvs. 800-1800 cm-1) och högvågsnummer (HW) (d.v.s. 2800-3600 cm-1) Raman spektra i realtid (< 0,5 s) för att förbättra in vivo vävnadskarakterisering och diagnos under koloskopi utvecklades. Den samtidiga FP/HW Raman-tekniken är integrerad med en 1,8 mm endoskopkompatibel fiberoptisk Raman-sond tillsammans med en safirkulins för att undersöka biomolekylära signaturer från underytan av kolorektal vävnad associerad med dysplasi. Detta har använts för att skapa SPECTRA IMDx-systemet som förhör vävnad på cellnivå och använder molekylär information för att förse läkare med handlingsbar information in vivo i realtid under koloskopi. SPECTRA IMDx består av ett lasersystem, en spektrometer, en dator med en analysalgoritm installerad och andra tillbehör. SPECTRA IMDx-proben är ansluten till huvudsystemet. SPECTRA IMDx-sonden är en sammansättning av optiska fibrer och optiska komponenter arrangerade för maximal överföring av ljusenergi. När det används kommer lasersystemet att avge en 785nm nära infraröd laser som kommer att sändas genom SPECTRA IMDx-sonden till den distala änden. När lasern förhörs på en vävnadsyta absorberas och reflekteras ljusenergin. Den reflekterade energin samlas sedan upp från den distala änden av SPECTRA IMDx-sonden, sänds tillbaka till huvudsystemet och passerar genom spektrometern. Den insamlade signalen bearbetas sedan för att erhålla den rena Raman-signalen för diagnostisk klassificering.

Det finns för närvarande en brist på data om tillämpningen av denna nya teknologi i samband med IBD. Specifikt om de genererade spektrala signalerna kan användas för att bättre klassificera sjukdomsremission och därmed uppnå högre överensstämmelse med histologi jämfört med standardendoskopi. Det är också oklart om denna teknologi kan användas för att skilja dysplastisk slemhinna från icke-dysplastisk slemhinna hos IBD-patienter.

Översikt Detta är en prospektiv observationsstudie av alla patienter med IBD (CD, UC eller IC) som genomgår koloskopi under en 24-månadersperiod. Arbetsflödet sammanfattas i figur 2. Informerat samtycke kommer att tas av utredaren innan studieregistreringen. Deltagarens deltagande i denna studie kommer endast att pågå under koloskopiproceduren som är cirka 30 till 45 minuter. Försökspersoner kommer inte att behöva göra ett ytterligare besök på sjukhuset för studien.

Tarmförberedelse och endoskopisk procedur Före koloskopi måste försökspersonerna rengöra tjocktarmen med tarmförberedelser enligt vanlig klinisk praxis. Koloskopi utförs med eller utan sedering efter endoskopist och patient. Under processen för koloskopi, som utförs med hjälp av högupplöst endoskopisystem med eller utan tilläggskromoendoskopi, kan biopsier av tjocktarmsslemhinnan tas antingen för att bedöma tillståndet av sjukdomsaktivitet eller för att klargöra arten av en detekterad fokal lesion, vilket kan vara icke-neoplastiska såsom hyperplastiska eller postinflammatoriska polyper, eller neoplastiska, såsom IBD-associerad dysplasi eller sporadisk kolorektal neoplasi. Fynden för kolon ascendens, tvärgående kolon, nedåtgående kolon, sigmoid kolon och rektum kommer att registreras separat. Lesioner kan också avlägsnas med en snara. Före antingen de avsedda biopsierna av varje region, eller före endoskopisk polypektomi, kommer SPECTRA IMDx-sonden att föras in genom koloskopets arbetskanal för att få kontakt med slemhinnans yta för att samla in Raman-signalerna. Biopsier erhålls sedan och märks så att de förvärvade Raman-signalerna kan korreleras med histologins guldstandard för att skapa diagnostiska klassificerare. Inga rutiner kommer att placeras på ljudband, film/video eller annat elektroniskt medium som en del av studiekravet. Endoskopifynd kommer att registreras i standardformatet för elektronisk medicinsk rapport. Endoskopi och histologiresultat kommer att transkriberas till patientfallsrapportformulär och avidentifieras.

Svårighetsgrad av slemhinneinflammation Klassificeringssystem för endoskopisk bedömning av sjukdomsaktivitet har publicerats.31 För UC och IC kommer sjukdomsaktivitetens svårighetsgrad att beskrivas baserat på Mayo Endoscopic Subscore6 och UCEIS. UCEIS har validerats.

För CD beror definitionen av endoskopisk sjukdoms svårighetsgrad inte bara på svårighetsgraden av slemhinneinflammation, och poängsystem som Crohns sjukdom Endoscopic Index of Severity (CDEIS) och Simple Endoscopic Score for Crohns sjukdom (SES-CD) innehåller andra komponenter som t.ex. som sjukdomsfördelning och förekomst av luminal förträngning som en del av bedömningen. Både CDEIS och SES-CD är validerade poängsystem. För denna studie, eftersom forskningsintresset enbart ligger på bedömning av slemhinneinflammation, kommer de deskriptorer som används för slemhinneinblandning att användas, baserat på SES-CD, och slemhinneläkning kommer att definieras som frånvaro av slemhinneulceration.

Fokala platta eller polypoida lesioner Morfologin hos detekterade ytliga lesioner som är misstänkta för antingen hyperplasi eller dysplasi kommer att beskrivas med hjälp av den uppdaterade Paris-klassificeringen (tabell 3, figur 3).32 En sittande lesion har en vertikal höjd på >2,5 mm medan den för lätt förhöjd lesion är < 2,5 mm. För en utgrävd lesion är djupet > 1,2 mm, medan det är mindre än 1,2 mm för lätt deprimerad lesion. Biopsipincett placerad längsgående bredvid lesionen är en användbar referensstandard (diametern med slutna käkar är 2,5 mm, medan diametern på en enda käke är 1,2 mm). Den uppskattade storleken, färgen och marginalerna av lesionen med kommer att beskrivas. Den endoskopiska diagnosen kommer att dokumenteras.

Dokumentation av histologiskt fynd Histologisk svårighetsgrad av slemhinneinflammation Klassificeringssystem för histologisk bedömning av sjukdomsaktivitet har publicerats. För UC eller IC kommer detta att bedömas med Nancy Histological Index. Grad 0 och 1 definierar histologisk remission, 2 definierar mild aktiv sjukdom, 3 definierar måttligt aktiv sjukdom och 4 definierar allvarligt aktiv sjukdom. Nancy-indexet har validerats.

För CD kommer detta att bedömas med hjälp av ett poängsystem som tidigare utvecklats av IBD-forskargruppen i Leuven, Belgien. Detta poängsystem har inte validerats även om det används i stor utsträckning för forskning.

Fokala platta eller polypoida lesioner WHO-klassificeringen för kolorektala tandade lesioner och polyper och Riddell-systemet för klassificering av IBD-associerad dysplasi kommer att användas. IBD-associerad dysplasi definieras som en otvetydig neoplastisk förändring av tjocktarmsepitelet. Det bör betonas att sådant dysplastiskt epitel inte bara kan vara en markör eller prekursor för karcinom utan kan i sig vara maligna och associerade med direkt invasion i den underliggande vävnaden. Denna definition är analog med definitionen av dysplasi i adenom i tjocktarmen i frånvaro av IBD, i neoplastiska lesioner i resten av mag-tarmkanalen och i andra epitel. Dysplasi identifieras på basis av en kombination av mikroskopiska egenskaper, inklusive 1) arkitektonisk förändring som överstiger den som är ett resultat av reparation vid kronisk kolit, som ofta liknar körtelarrangemanget av adenom, och 2) cytologiska abnormiteter, främst cellulär och nukleär pleomorfism, nukleär hyperkromatism, förlust av kärnpolaritet och markant skiktning av kärnor.