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2019-08-07 14:33:21

非侵入性成像方法在分子水平上发现癌症

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,以区分健康和转移性癌组织,而无需依赖侵入性活组织检查或使用对比染料。有一天,这种新方法可以帮助医生检测癌症转移,否则癌症转移在操作过程中很难通过标准成像技术看到。

美国马萨诸塞州伯灵顿Lahey医院的研究团队联合负责人Thomas Schnelldorfer说:“现有的技术非常宝贵但空间分辨率低,往往需要使用外源性造影剂。”该工作中使用的方法在微观水平的完全无标记的细胞和组织特征,基本上就像没有刀的活组织检查一样,“来自美国马萨诸塞州Medford的Tufts大学的Dimitra Pouli补充道,该研究的主要作者。

在光学学会(OSA)期刊Biomedical Optics Express中,研究人员展示了使用多光子显微镜以及自动图像和统计分析算法来检查腹膜腔的新切除活组织检查,腹膜腔是经常受转移性癌症影响的腹部的一部分,尤其适用于卵巢癌患者。通过将这种显微镜模态与图像纹理分析技术相结合,这是第一次成功评估健康和转移性人腹膜组织。

因为该方法在微观水平上评估细胞和细胞外组织特征,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于人类专业知识的方法。

“这最终可以帮助外科医生直接在手术室中实时识别可疑或患病区域,从而直接影响患者管理,”Schnelldorfer说。

“由于该方法利用组织中几乎无处不在的固有组织信号,它可以应用于其他类型的癌症和其他应用,例如纤维化和心血管疾病,其中组织结构和细胞外基质重塑被潜在的疾病过程改变,”塔夫茨大学的研究联合负责人Irene Georgakoudi补充道。

寻找组织纹理的线索

多光子显微镜通过向组织提供激光来工作。尽管激光具有高峰值强度,但它以非常短的脉冲传送,以保持平均功率小并且不会造成组织损伤。当不同的组织成分与激光相互作用时,它们发出信号,然后由显微镜检索以产生图像。一旦获取了图像,就可以使用自动图像处理算法来揭示独特的纹理特征。可以使用统计模型分析在用标准手术成像工具获取的图像中不可见的这些特征,以将组织分类为健康或患病。

该方法的关键优势在于图像采集和分析基于组织本身的组分 - 例如细胞或胶原蛋白,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性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体壁腹膜组织。由于顶叶腹膜组织充满了胶原蛋白,因此部分分析实施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。

研究人员发现健康和患病组织在对比度(从像素到像素的强度差异的度量)和相关性(模式重复性的度量)方面显示出独特的模式。虽然健康组织在这些特征中表现出更大的变化,但转移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,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 - 称为分期 - 对于有效的癌症治疗至关重要。横断面放射成像和白光腹腔镜检查是用于识别腹部转移的工具,但在检测埋在健康组织内的较小病变时常常不足。活组织检查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中也起着关键作用。

当卵巢癌开始扩散时,它通常首先出现在腹膜中,腹膜是腹腔内的膜。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收集的腹膜活组织检查。

分析从活组织检查获得的41个图像,该技术正确地分类了41个图像中的40个(准确度为97.5%)。总共11个样本被正确分类为转移(100%敏感性),30个中的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该方法。虽然分析方法被优化用于检测已经在顶叶腹膜组织中转移的卵巢癌,但是相同的技术可以适用于分析其他组织类型和其他癌症类型。

虽然使用活组织检查来测试该方法,但研究人员表示,最终目标是将其直接应用于发现或怀疑癌症的身体部位,而无需活组织检查或染色。在该技术可用于手术期间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,将显微镜与手术仪器集成并且能够直接在手术室对所获取的图像进行实时分析。

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