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2019-08-07 14:33:21

非侵入性成像方法在分子水平上發現癌癥

研究人員首次將強大的顯微技術與自動圖像分析算法相結合,以區分健康和轉移性癌組織,而無需依賴侵入性活組織檢查或使用對比染料。有一天,這種新方法可以幫助醫生檢測癌癥轉移,否則癌癥轉移在操作過程中很難通過標準成像技術看到。

美國馬薩諸塞州伯靈頓Lahey醫院的研究團隊聯合負責人Thomas Schnelldorfer說:“現有的技術非常寶貴但空間分辨率低,往往需要使用外源性造影劑。”該工作中使用的方法在微觀水平的完全無標記的細胞和組織特征,基本上就像沒有刀的活組織檢查一樣,“來自美國馬薩諸塞州Medford的Tufts大學的Dimitra Pouli補充道,該研究的主要作者。

在光學學會(OSA)期刊Biomedical Optics Express中,研究人員展示了使用多光子顯微鏡以及自動圖像和統計分析算法來檢查腹膜腔的新切除活組織檢查,腹膜腔是經常受轉移性癌癥影響的腹部的一部分,尤其適用于卵巢癌患者。通過將這種顯微鏡模態與圖像紋理分析技術相結合,這是第一次成功評估健康和轉移性人腹膜組織。

因為該方法在微觀水平上評估細胞和細胞外組織特征,所以它可以在更容易治療的早期階段識別癌癥轉移。通過使用算法對組織進行分類,該方法還可以幫助減少解釋圖像的偏差并補充依賴于人類專業知識的方法。

“這最終可以幫助外科醫生直接在手術室中實時識別可疑或患病區域,從而直接影響患者管理,”Schnelldorfer說。

“由于該方法利用組織中幾乎無處不在的固有組織信號,它可以應用于其他類型的癌癥和其他應用,例如纖維化和心血管疾病,其中組織結構和細胞外基質重塑被潛在的疾病過程改變,”塔夫茨大學的研究聯合負責人Irene Georgakoudi補充道。

尋找組織紋理的線索

多光子顯微鏡通過向組織提供激光來工作。盡管激光具有高峰值強度,但它以非常短的脈沖傳送,以保持平均功率小并且不會造成組織損傷。當不同的組織成分與激光相互作用時,它們發出信號,然后由顯微鏡檢索以產生圖像。一旦獲取了圖像,就可以使用自動圖像處理算法來揭示獨特的紋理特征??梢允褂媒y計模型分析在用標準手術成像工具獲取的圖像中不可見的這些特征,以將組織分類為健康或患病。

該方法的關鍵優勢在于圖像采集和分析基于組織本身的組分 - 例如細胞或膠原蛋白,一種形成結締組織的蛋白質 - 而不是添加到其中的對比染料。這允許以完全非侵入性和非破壞性的方式分析與形式和功能相關的固有特征。

在這項工作中,研究人員首次將這種組合顯微鏡和分析技術應用于健康和轉移性人體壁腹膜組織。由于頂葉腹膜組織充滿了膠原蛋白,因此部分分析實施的重點是評估膠原纖維的微觀結構模式及其分子間交聯信號。

研究人員發現健康和患病組織在對比度(從像素到像素的強度差異的度量)和相關性(模式重復性的度量)方面顯示出獨特的模式。雖然健康組織在這些特征中表現出更大的變化,但轉移組織圖像顯示出更均勻的強度模式和更小的纖維。這些變化反映了癌細胞對天然結締組織的破壞,提供了癌癥轉移的標志。

改善癌癥分期

確定癌癥擴散的程度和位置 - 稱為分期 - 對于有效的癌癥治療至關重要。橫斷面放射成像和白光腹腔鏡檢查是用于識別腹部轉移的工具,但在檢測埋在健康組織內的較小病變時常常不足?;罱M織檢查和顯微鏡評估在確定癌細胞是否已經轉移并開始侵入組織微環境中也起著關鍵作用。

當卵巢癌開始擴散時,它通常首先出現在腹膜中,腹膜是腹腔內的膜。為了測試他們的新方法,研究人員用它來分析從8名確診或疑似卵巢惡性腫瘤患者收集的腹膜活組織檢查。

分析從活組織檢查獲得的41個圖像,該技術正確地分類了41個圖像中的40個(準確度為97.5%)??偣?1個樣本被正確分類為轉移(100%敏感性),30個中的29個被正確分類為健康(96.6%特異性)。

研究人員計劃繼續在更廣泛的患者群體的更大樣本圖像中測試該方法。雖然分析方法被優化用于檢測已經在頂葉腹膜組織中轉移的卵巢癌,但是相同的技術可以適用于分析其他組織類型和其他癌癥類型。

雖然使用活組織檢查來測試該方法,但研究人員表示,最終目標是將其直接應用于發現或懷疑癌癥的身體部位,而無需活組織檢查或染色。在該技術可用于手術期間的實時組織分析之前,將需要額外的工作來使顯微鏡組件小型化,將顯微鏡與手術儀器集成并且能夠直接在手術室對所獲取的圖像進行實時分析。

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