Raman spectroscopy in noninvasive optical diagnostics of skin neoplasms

Full Text

ЗНО – злокачественные новообразования; ДНО – доброкачественные новообразования; МК – меланома кожи; РК – рак кожи, КР – комбинационное рассеяние; AФ – автофлуоресценция.

АКТУАЛЬНОСТЬ

Рак считается ведущей причиной смерти и важным препятствием на пути увеличения продолжительности жизни во всех странах мира. Заболеваемость злокачественными новообразованиями (ЗНО) кожи значительно выросла в последние десятилетия, что, безусловно, связано с развитием специализированной техники и совершенствованием диагностики ЗНО. По оценкам ВОЗ, в 2020 году в мире было зарегистрировано 19,3 млн новых случаев рака и почти 10,0 млн смертей от ЗНО [1]. Это заболевание является важной причиной заболеваемости и смертности во всем мире. Половина всех случаев и 58,3% смертей от рака приходится на Азию, где проживает 59,5% населения мира. Самые высокие показатели заболеваемости и смертности относительно численности населения приходятся на Европу – 22,8% всех случаев ЗНО и 19,6% смертей от рака, при этом население составляет 9,7% от мирового. За ней следуют американский континент – 20,9% заболеваемости и 14,2% смертности во всем мире. В отличие от других регионов, доля смертей от рака в Азии (58,3%) и Африке (7,2%) выше, чем доля заболеваемости (49,3% и 5,7% соответственно) из-за различного распределения типов рака и более высокой заболеваемости и смертности в этих регионах [1].

Одной из самых опасных опухолей является меланома кожи (МК). Наибольшая заболеваемость регистрируется в странах Европы (46,4%), Северной Америки (32,4%), Австралии и Океании (5,9%), наименьшая – в странах Африки (2,1%). МК является причиной более 300 000 новых случаев и 57 000 смертей во всем мире в 2020 году [2].

В Российской Федерации ЗНО составляют 13,8% в структуре онкозаболеваемости. Из них на МК приходится 1,96%, а это более 4000 человек, что составляет 7,82 случая новых заболеваний на 100 тыс. населения. Для России характерна тенденция с высоким уровнем ежегодного прироста заболеваемости. Среднегодовой темп прироста составил 2,69%, а общий прирост заболеваемости – 31,62%. Разница заболеваемости по различным регионам колеблется от 14,59 (Нижегородская область) до 0,30 (Республика Тыва) на 100 тыс. населения [1]. За 2021 год максимальное число заболеваний МК приходится на возрастную группу 65–69 года (15,2%). Средний возраст умерших от МК – 67 лет у женщин и 64,5 у мужчин [3].

В Самарской области в 2021 году показатели заболеваемости ЗНО составили 460,91 на 100 тыс. (397,91 в России). На первом месте в структуре заболеваемости находится новообразования кожи (13,5%), включая МК, с показателем заболеваемости 8,97, что составляет 1,64% всей выявляемой онкопатологии [3]. Ежегодно меланомой заболевает почти 300 (282 за 2021 год) человек, при этом заболевание выявляется в 1-2 стадии у 86,1% больных. Одногодичная летальность достигает 8,4% [4].

На рисунке 1 представлена заболеваемость и смертность от ЗНО кожи в Самарской области в период с 2011 по 2021 год. При этом женщины болеют чаще мужчин. В структуре заболеваемости преобладает рак кожи (РК), в структуре смертности преобладает МК. Также отмечается тенденция к снижению обоих показателей за последние 3 года. Основной возраст пациентов – старше 50 лет. Доля выявляемости МК на 1-2 стадиях выросла с 67,8% до 86,1%. Удельный вес запущенных случаев (3-4 стадии) уменьшился с 31,2% в 2011 году до 13,2% в 2021 году. Прогноз и исход заболевания зависят от многочисленных факторов, характеризующих как первичную опухоль, так и организм больного.

 

Рисунок 1. Заболеваемость и смертность в Самарской области от ЗНО кожи на 100 тыс. населения.

 

ЦЕЛЬ

Предложить принципиальную схему нового предсерийного прибора, который может стать массовым и использоваться в лечебных учреждениях любого профиля для активной диагностики новообразований кожи.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для диагностики новообразований кожи чаще в первую очередь используют клинические способы исследования новообразований. Однако МК – это уникальная опухоль, для которой характерно многообразие клинических проявлений, особенно сложно дифференцировать меланому с другими новообразованиями кожи в начальных стадиях заболевания. Классические клинические признаки знакомы всем врачам. При этом использование правила ABCDE не исключает множества субъективных оценок и не имеет достаточной специфичности.

Методом уточняющей диагностики, как правило, становится дерматоскопия, ее чувствительность и специфичность достаточно высока. Однако этот метод требует наличия высококвалифицированных специалистов, имеющих навыки ранней диагностики [5], его эффективность напрямую зависит от опыта и специализации врачей и от частоты встречаемости таких новообразований в их повседневной практике. Существует целый ряд уточняющих методов диагностики, такие как ультразвуковое исследование, флуоресцентная диагностика, радиофосфорная индикация опухоли, радиотермометрия и другие. В частности, на клинической базе СОКОД нами изучались возможности флуоресцентной диагностики новообразований кожи, были получены высокие показатели чувствительности и специфичности [6]. Однако большинство из приведенных методов технологически сложны, они требуют применения расходных материалов и достаточно дороги в реализации, не могут применяться для исследований большого числа пациентов.

Однако самый сложный этап диагностики при подозрении на МК, особенно на ранней стадии заболевания, – это верификация, реализация которой сопряжена с риском диссеминации при инвазивном способе получении биопсийного материала. Таким образом, эффективная дифференциальная и уточняющая диагностика новообразований кожи с последующим обоснованным и правильным решением о лечении возможна только на базе крупных специализированных центров.

Анализ существующих эпидемиологических и диагностических результатов выявляет наличие таких проблем, как недостаточная эффективность активной диагностики и мониторинга новообразований кожи; трудности организации экспертной диагностики новообразований кожи; сложности с верификацией диагноза на дооперационном этапе; необходимость уточняющей диагностики распространенности новообразования.

Указанные проблемы диктуют необходимость поиска способа повысить эффективность ранней диагностики новообразований кожи. На наш взгляд, для этого необходимо изучать возможности новых оптических методов анализа строения тканей человека.

В качестве основного способа нами был выбран способ рамановской спектроскопии. Спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) представляет собой метод анализа отраженного сигнала с учетом не только химического состава, но и пространственного структурного расположения биологических молекул. В результате мы получаем спектр, характерный для различных видов доброкачественных новообразований (ДНО) и ЗНО нормальной ткани [6]. Данная методика разрабатывается на кафедре онкологии уже более 10 лет [7–9].

Результатом применения методики стало создание экспериментальной установки. Принципиальная схема приборов, которая реализует эти принципы, представлена на схеме (рисунок 2). Экспериментальная установка обладает высокими разрешающими способностями, являясь при этом абсолютно безопасной в применении [6].

 

Рисунок 2. Портативная рамановская система для in vivo исследований кожи человека: 1 – лазерный модуль, 2 – рамановский зонд, 3 – спектрометр, 4 – ПК, 5 – волокно возбуждения, 6 – собирающее волокно.

 

В 2015–2018 гг. проведено исследование, в которое было включено более 600 человек. В качестве объектов исследований были использованы образцы различных новообразований кожи человека, полученные после хирургического лечения в отделениях Самарского областного клинического онкологического диспансера. Регистрацию спектра КР выполняли, располагая рабочую часть спектрометра непосредственно над исследуемой областью на расстоянии 3-4 мм, последовательно проводили регистрацию спектра с патологически измененного участка, далее с участка здоровой кожи. Время обследования одного случая составляло не более 3–5 минут [6].

Для сравнения и оценки природы новообразований пациенты были поделены на 4 группы: с ДНО – пигментными и беспигментными и ЗНО – с РК и МК (N=617).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведенная серия экспериментальных испытаний позволила установить потенциально высокую чувствительность и специфичность методики, что послужило основой для создания способа неинвазивной дифференциальной диагностики новообразований кожи [10].

Взаимодействие света с биологической тканью представляет собой сложный процесс многократного рассеяния и поглощения фотонов в многослойной структуре кожи, в состав которой входит множество органических молекул, в том числе и флуорофоров. Основными поглотителями оптического излучения здоровой кожи являются гемоглобин, вода, липиды и меланин [11]. Структурные элементы клетки – мембраны, ядра, органеллы, меланиновые гранулы – являются основными объектами рассеяния тканей кожи. ЗНО изменяют структурный, химический компонентный состав тканей кожи, а также приводят к увеличению размера ядер клетки и ее показателя преломления [12]. Среднее значение диаметра нормального клеточного ядра составляет 10–12 мкм, а для опухолевых тканей – около 20–50 мкм. Таким образом, измерение автофлуоресценции (AФ) может быть использовано для мониторинга химического состава биологических тканей и в качестве диагностического инструмента для идентификации неоплазии.

Были исследованы интенсивность и форма AФ, стимулированной лазерами 457 и 785 нм, чтобы выявить различия в составе и концентрациях хромофоров в злокачественных и нормальных тканях кожи [13]. Типичные нормализованные спектры флуоресценции от кожных тканей представлены на рисунке 3. Таким образом, положения и интенсивности максимумов в спектрах AФ могут предоставить информацию о химическом составе исследуемых образцов и изменениях патологических образований по сравнению со здоровой кожей. Локальный максимум спектров АФ, наблюдаемый при 555 нм, характеризуется наличием флавинов и липопигментов в тканях кожи, а порфирины определяют форму спектров AФ в красной области спектров.

 

Рисунок 3. Нормализованные ex vivo спектры AФ нормальной ткани кожи, меланомы (MM) и базальноклеточного рака (BCC), стимулированные лазером 457 нм (а) и лазером 785 нм (б).

 

Существующие различия в интенсивностях КР пиков для нормальной кожи и различных видов новообразований кожи могут объясняться структурными нарушениями тканей при развитии ЗНО либо изменением концентрации отдельных биологических молекул в опухолевых клетках. Основные спектральные различия между здоровой кожей и ЗНО зарегистрированы как in vivo, так и ex vivo в полосах 1300 и 1750–1780 см^-1. Наличие существенных различий в КР спектрах исследуемых образцов новообразований и здоровой кожи позволяет провести дифференциацию типов данных тканей с использованием КР-спектроскопии. Метод основывается на одновременном использовании данных автофлуоресцентного анализа и рамановской спектроскопии и позволяет проводить неинвазивную оптическую биопсию тканей кожи с точностью 0.92 (0.89 чувствительность, 0.93 специфичность).

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные результаты свидетельствуют о том, что системы комбинационного рассеяния света могут быть использованы при массовом скрининге для сокращения необходимого времени диагностики новообразований специалистами и врачами общей практики. Оценка типа новообразования может быть проведена при минимальной подготовке персонала к работе со спектроскопическими приборами, поскольку анализ спектроскопических данных выполняется автоматически на основе баз данных, суммирующих ранее измеренные оптические свойства тканей кожи. Быстрая и точная оценка типа новообразования с помощью метода оптической биопсии может значительно сэкономить время пациента и снизить ненужное беспокойство по поводу неопределенного диагноза.

Однако необходимы дальнейшие многоцентровые исследования для оптимизации применения систем комбинационной оптической биопсии в клинических условиях. Такие исследования должны основываться на применении идентичных систем комбинационного рассеяния света и включать анализ различных классов тканей в каждом участвующем медицинском центре для получения окончательной информации о точности оптической биопсии на основе комбинационного рассеяния света [14].

ВЫВОДЫ

1. Доказана технологическая возможность создания портативной недорогой спектроскопической техники, в том числе с применением нейросетевого классификатора. Предложенный прибор позволяет сформировать предварительный диагноз без привлечения врача-специалиста и лишен субъективных критериев анализа.
2. Предложена принципиальная схема нового предсерийного прибора, который может пойти в серию, стать массовым и использоваться в лечебных учреждениях любого профиля для активной диагностики новообразований кожи.

Конфликт интересов: все авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

About the authors

Oleg I. Kaganov

Samara State Medical University

Author for correspondence.
Email: o.i.kaganov@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0003-1765-6965

PhD, Associate professor, the Head of the Department of Oncology

Russian Federation, Samara

Yuliya G. Loginova

Samara State Medical University

Email: julenka.rus@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5020-7374

assistant of the Department of Oncology

Russian Federation, Samara

Aleksandr A. Moryatov

Samara State Medical University

Email: a.a.moryatov@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0001-7414-5710

PhD, Associate professor of the Department of Oncology

Russian Federation, Samara

Sergei V. Kozlov

Samara State Medical University

Email: s.v.kozlov@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8800-1670

PhD, Professor of the Department of Oncology

Russian Federation, Samara

References

Supplementary files