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在分子水平发现癌症的无创成像方法

导读 研究人员首次将强大的显微技术与自动图像分析算法相结合,在不依赖侵入性活检或使用对比染料的情况下区分健康和转移性癌症组织。总有一天,
2021-08-31 13:55:40

研究人员首次将强大的显微技术与自动图像分析算法相结合,在不依赖侵入性活检或使用对比染料的情况下区分健康和转移性癌症组织。总有一天,这种新方法可以帮助医生发现癌症转移,否则在手术过程中很难通过标准的成像技术看到癌症转移。

美国马萨诸塞州伯灵顿市Lahey医院研究团队的联合负责人Thomas Schnelldorfer说:“现有技术非常有价值,但空间分辨率较低,这往往需要使用外源性造影剂。”这项研究的主要作者、美国马萨诸塞州梅德福德塔夫茨大学的迪米特拉波利补充说:“这项工作中使用的方法在微观层面上完全没有细胞和组织特征的标记,这基本上就像不用刀的活检一样。

在光学学会(OSA)的《生物医学光学快报》(Biomedical Optics Express)杂志上,研究人员演示了使用多光子显微镜和自动图像和统计分析算法检查腹膜腔的新切除活检,腹膜腔是腹部的一部分,经常受到转移性癌症的影响,尤其是对于卵巢癌患者。这是首次通过将这种显微形式与图像纹理分析技术相结合,成功评估健康和转移性人类腹膜组织。

因为这种方法在微观水平上评估细胞和细胞外组织的特征,所以它可以在更容易治疗的早期阶段识别癌症转移。通过使用算法对组织进行分类,该方法还可以帮助减少解释图像的偏差,并补充依赖人类专业知识的方法。

Schnelldorfer说:“这最终将有助于外科医生在手术室直接实时识别可疑或患病区域,从而直接影响患者管理。

塔夫茨大学(Tufts University)研究联合负责人艾琳乔加库迪(Irene Georgakoudi)补充说:“由于这种方法利用了几乎在组织中无处不在的固有组织信号,因此可以应用于其他类型的癌症和其他应用,如纤维化和心血管疾病,在这些疾病中,组织结构和细胞外基质重塑会因潜在的疾病过程而改变。

寻找组织结构的线索

多光子显微镜通过向组织提供激光来工作。虽然激光具有很高的峰值强度,但它是在非常短的脉冲中传输的,以保持平均功率较小,并且不会导致组织损伤。当不同的组织成分与激光相互作用时,它们发出信号,然后被显微镜检索以产生图像。一旦获取了图像,就可以利用自动图像处理算法来揭示独特的纹理特征。统计模型可用于分析这些特征,这些特征在使用标准外科成像工具获取的图像中是不可见的,以将组织分类为健康或患病。

这种方法的主要优点是,图像采集和分析基于组织本身的成分,如细胞或胶原蛋白,一种形成结缔组织的蛋白质,而不是添加到其中的对比染料。这允许以完全非侵入和非破坏性的方式分析与形式和功能相关的固有特征。

在这项工作中,研究人员首次将这种组合显微镜和分析技术应用于健康和转移性人类腹膜组织。由于壁层腹膜组织充满胶原蛋白,一些分析的重点是评估胶原纤维的微观结构模式及其分子间交联信号。

研究人员发现,健康组织和患病组织在对比度(像素与像素之间强度差异的度量)和相关性(模式可重复性的度量)方面表现出独特的模式。尽管健康组织在这些特征上显示出较大的变化,但转移的组织图像显示出更均匀的强度模式和更小的纤维。这些变化反映了癌细胞对天然结缔组织的破坏,并提供了癌症转移的标志。

改善癌症分期

确定癌症扩散的程度和位置,即所谓的分期,对于有效的癌症治疗至关重要。横断面放射线照相术和白光腹腔镜检查是识别腹部转移的工具,但它们通常不足以检测隐藏在健康组织中的小病变。活检和显微镜评估在确定癌细胞是否已经转移并开始侵入组织微环境方面也起着关键作用。

当卵巢癌开始扩散时,通常首先出现在腹膜,这是腹腔中的膜。为了测试他们的新方法,研究人员用它来分析从8名确诊或疑似卵巢恶性肿瘤患者身上收集的腹膜活检。

对活检获得的41幅图像进行分析,41幅图像中有40幅图像被该技术正确分类(准确率为97.5%)。共有11个样本被正确分类为转移(100%灵敏度),30个样本中有29个被正确分类为健康(96.6%特异性)。

研究人员计划继续在更广泛的患者群体的更大样本图像中测试这种方法。尽管该分析方法被优化用于检测已经在壁腹膜中转移的卵巢癌,但是相同的技术可以被应用于分析其他组织类型和其他癌症类型。

尽管活检是用来测试这种方法的,但研究人员表示,最终目标是将其直接应用于发现或怀疑有癌症的身体部位,而无需活检或染色。在这项技术能够用于手术过程中的实时组织分析之前,将需要额外的工作来使显微镜组件小型化,将显微镜与手术器械集成在一起,并直接在手术室中实时分析获得的图像。

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