Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых технологий оптической когерентной томографии для задач индивидуальной терапии рака

ФИО
Киселева Елена Борисовна
Surname Name
Kiseleva Elena
Организация
ГБОУ ВПО Нижегородская государственная медицинская академия Минздрава России
Область наук
Науки о жизни и медицина
Название доклада
Разработка новых технологий оптической когерентной томографии для задач индивидуальной терапии рака
Project title
Development of new optical coherence tomography technologies to enable individualized cancer therapy
Резюме
Проект направлен на разработку технологии мультимодальной спектральной оптической когерентной томографии (ММ ОКТ), которая используется для проведения доклинических и клинических исследований по выявлению показателей ответа опухоли на различные виды противоопухолевого лечения. Данный подход способствует реализации индивидуальной терапии рака. Технологическая методология объединяет несколько функциональных возможностей ОКТ: одновременное получение ко- и кросс-поляризационных ОКТ изображений для характеристики анизотропии ткани, эластографическую обработку изображений с картированием механических характеристик (уровня жесткости), визуализацию микроциркуляторного русла по анализу спеклов. Платформа мультимодальной спектральной ОКТ реализована с использованием субмиллиметровых оптических волокон, в оптимальных условиях получения и анализа изображений в реальном времени и эффективного устранения присущих методу помех.
В ходе проекта создана высокотехнологичная лаборатория мирового уровня - лаборатория «Оптической когерентной томографии», способная решать задачи разработки новых методов оптической диагностики, мониторинга и индивидуализации лечения онкологических заболеваний, создания конкурентоспособных инновационных диагностических систем.
Ключевые слова
оптическая когерентная томография, многофотонная лазерная сканирующая микроскопия, количественная обработка оптических и гистологических изображений, коллагеновые волокна, патоморфология воспалительных и опухолевых процессов
Тезисы

Наиболее значимые результаты, полученные Лабораторией, созданной в рамках данного проекта:

1. Создан скоростной вариант спектрального оптического когерентного томографа, оснащенный зондом с эффективной системой 3D сканирования. Томограф имеет за счет ряда эффективных модификаций существенные преимущества в решении задач кросс-поляризационной ОКТ, ОКТ микроангиографии и ОКТ эластографии.

2. Разработан алгоритм, позволяющий визуализировать трехмерную картину микроциркуляторного русла в реальном времени. За счет устойчивости к шумам и мелким движениям появляется возможность повысить эффективность проводимых исследований за счет сокращения количества изображений с наличием артефактов. 

3. Разработан оригинальный вариант компрессионной ОКТ эластографии (ОКТ ЭГ). Особенности метода обеспечивают его беспрецедентно высокую устойчивость к шумам и позволяют достаточно уверенно осуществлять эластографическое картирование, используя всего одну пару сравниваемых ОКТ сканов. Это открывает возможности для проведения эластографического картирования при работе «с руки» и получения эластографических изображений в режиме реального времени даже без использования специальных средств параллелизации вычислений.

4. Проведены доклинические исследования идентификации ОКТ изображений, полученных на модельных животных, путем морфологических и патофизиологических сопоставлений. Проведено мониторирование индукции опухоли, ее роста и ответа на лечение методом фотодинамической и лучевой терапии (ФДТ и ЛТ) с использованием ММ ОКТ и других методов биофотоники высокого разрешения.

4.1. Изучен процесс естественного роста опухолевого узла у экспериментальных животных с помощью оптических методов. Установлена характерная динамика изменений КП ОКТ изображений в ходе естественного роста опухоли. Оценка динамики микроциркуляции экспериментальной опухоли в ходе естественного роста, полученная с помощью ОКТ МА, показала ее совпадение с гистологическими данными.  Количественная оценка ОКТ МА изображений выявила срок появления в опухоли новообразованных сосудов – синусоидов – на 10-13 день роста опухоли.

4.2. Изучен ранний ответ опухолевого узла на ФДТ у экспериментальных животных с помощью оптических методов.

а) Основными закономерностями морфологических изменений экспериментальной опухоли в ходе ФДТ (лечебный патоморфоз) являются два процесса: 1) выраженная сосудистая реакция: полнокровие, стаз, единичные эритроцитарные тромбы; 2) необратимые изменения ядра и цитоплазмы опухолевых клеток вплоть до образования очагов некроза.

б) Сформулированы критерии эффективности ФДТ: наличие выраженной сосудистой реакции на ОКТ МА изображениях в границе опухоли и в опухолевом окружении в первые 24 часа после ФДТ приводит к тотальному некрозу опухолей через 7 дней после ФДТ. Наличие выраженной реакции сосудов в границе опухоли при отсутствии реакции сосудов опухолевого окружения свидетельствует о низкой эффективности ФДТ, поскольку к 7 дню после ФДТ полной гибели опухоли не происходит.

в) ОКТ МА позволяет предсказывать эффект терапии, а значит корректировать и индивидуализировать противоопухолевое лечение.

5. Методом ММ ОКТ изучен процесс канцерогенеза на модели слизистой оболочки защечного мешка хомяка, проведен сравнительный анализ папилломатозных опухолей с целью обнаружения признаков злокачественной опухоли. Установлено, что злокачественные опухоли отличаются от доброкачественных по повышенному содержанию мелких сосудов диаметром 10-15 мкм, что подтверждается гистологически как новообразованные сосуды опухоли – синусоиды. Для доброкачественных опухолей свойственно наличие крупные сосудов диаметром 130-180 мкм, что на ОКТ МА изображениях проявляется в увеличенном количестве крупных сосудов диаметром более 100 мкм. Злокачественные опухоли содержат низкий процент стромы и характеризуются низким уровнем сигнала на КП ОКТ изображениях и низким значением интегрального фактора деполяризации (ИФД).

6. Разработан ряд методов автоматической интерпретации КП ОКТ изображений и ОКТ микроангиограмм и их количественной оценки, которые могут быть использованы для дифференциальной диагностики состояний тканей и создания критериев эффективности противоопухолевого лечения для его индивидуализации, а именно:

7. Проведены пилотные клинические исследования с целью выявления OКT-критериев эффективности противоопухолевой терапии по ответу на лечение и определения показаний к разным видам терапии. Методом КП ОКТ можно детектировать ключевые морфологические изменения в ходе ФДТ опухолей кожи и слизистой шейки матки (отек, некроз с последующим восстановлением структуры ткани в поздние сроки). ОКТ микроангиограммы отражают различную степень проявления реакции сосудистой сети в ответ на ФДТ опухолей – от полного исчезновения сосудов на ОКТ МА-изображениях до отсутствия видимой реакции, коррелирующие со степенью лечебного патоморфоза. Динамика КП ОКТ изображений здоровой слизистой оболочки полости рта, попавшей в зону облучения, у пациентов в процессе ЛТ новообразований полости рта и глотки коррелирует с тяжестью развивающегося радиационного мукозита. Разработаны оптические способы превентивной диагностики тяжелых мукозитов на основе КП ОКТ изображений.

Практическая значимость полученных научных результатов. В результате проекта будет создана новейшая модификации прибора мультимодальной ОКТ, способная оценивать различные структурные и функциональные особенности нормальных и патологических тканей, которые могут быть использованы в различных областях медицины (онкология, эндоскопия, дерматология, неврология и др.) для целей дифференциальной диагностики и оценки эффективности лечения заболеваний различной природы. Прибор может быть сертифицирован для клинических исследований. В России может быть налажено производство отечественных оптических томографов с различными модальностями.

В заключении, лаборатория «Оптической когерентной томографии» является центром разработки и освоения новых технологий оптической диагностики для исследований в области экспериментальной и практической онкологии, в частности, для задач индивидуальной терапии рака. Данная лаборатория органично дополняет Лабораторию флюоресцентного биоимиджинга, созданную в рамках мегагранта первой очереди с ведущим ученым академиком Лукьяновым С.А.

Summary of the project
The project aims to develop technologies of multimodal spectral optical coherence tomography (MM OCT), which is used for pre-clinical and clinical research to identify indicators of tumor response to various types of cancer treatment. This approach contributes to the realization of individual cancer therapy. Technological methodology combines several OCT features: the simultaneous acquisition of co- and cross-polarization OCT images to characterize the tissue anisotropy, elastographic image processing with mapping of the mechanical characteristics (stiffness level), visualization of microvasculature by speckle analysis. Platform of multimodal spectral OCT implemented using submillimeter optical fibers, in optimal conditions of getting and image analysis in real-time and efficient method of eliminating the inherent noise. During the project a high-tech world-class laboratory was created - "Optical Coherence Tomography" laboratory, capable of solving the problem of developing new methods of optical diagnostics, monitoring and individualization of treatment of oncological diseases, creation of competitive innovative diagnostic systems.
Keywords
optical coherence tomography, multiphoton laser scanning microscopy, quantitative processing of optical and histological images, collagen fibers, pathomorphology of inflammatory and neoplastic processes