Автореферат и диссертация по медицине (14.00.14) на тему:Особенности спектрального ответа нормальных и патологически измененных тканей молочной железы при раке

АКТУАЛЬНОСТЬ. Современная медицинская наука добилась существенного прогресса в области комплексного лечения злокачественных опухолей молочной железы (МЖ), однако успехи в области диагностики, особенно минимальных форм опухолевого роста, не столь очевидны [8, 20, 23, 26, 39,43,48].

В настоящее время для диагностики объёмных образований и их нозологической принадлежности используются такие методы медицинской визуализации, как рентгеновская маммография, ультразвуковая диагностика, термография, рентгеновская компьютерная томография, ЯМР-диагностика, маммасцинтиграфия [35, 36, 40, 47, 107, 109]. Результаты диагностики известными способами и приборами, особенно при минимальном проявлении нарушений формообразовательных процессов и их функций, искажаются значительными ошибками из-за наличия большого многообразия форм злокачественных образований, воспалительных процессов в тканях, артефактов и т.д. При этом клиницист зачастую имеет дело с жестко регламентированным диагностическим "инструментарием", ориентированным и позволяющим получать информацию лишь о состоянии функции, или о состоянии результата совокупной жизнедеятельности множества клеток, тканей, а иногда и органов [26].

Исключением, пожалуй, являются цитологические и гистологические методы диагностики, в которой исследователь руководствуется собственно морфологическими характеристиками клеточного и тканевого уровней. Морфологический анализ, обладая высокой специфичностью и чувствительностью, требует изъятия из организма необходимого субстрата, а эта процедура может быть успешной только в случае прицельного оперативного вмешательства, т.е. метод не только инвазивен, но и по совокупности действий (поиск "очага", забор материала в условиях чрезтканной тонкоигольной пункции или путем трепан - биопсии) далек от 100% надежности [57, 58, 70, 77, 80, 120, 128] . Наибольший процент диагностических ошибок при исследовании, например; цитологических препаратов связан с необходимостью привнесения субъективного компонента для формирования заключения. При минимально выраженной клеточной-атипии совпадения диагнозов в различных лабораториях может составлять от. 11% до 99% в. отношении чувствительности, и от 14% до-97% в отношении^ специфичности [30]. Не лишена субъективности и патогистологическая диагностика. Известно, что в наиболее трудных случаях различия в диагнозах, поставленных даже опытными специалистами, могут достигать 100% [72].

В такой ситуации несомненную актуальность представляет поиск новых, максимально объективизированных, высокочувствительных и минимально инвазивных методов диагностики состояния тканей, позволяющих не только идентифицировать ранние проявления патологического^ очага, но и, возможно, дополнить морфологический анализ во> время, витальной (прижизненной) диагностики. Наиболее перспективными в этом плане можно считать методы оптического анализа. Именно спектральные характеристики (спектры отражения, пропускания, флюоресценции) ряда составляющих, тканей или биологических жидкостей абсолютно специфичны для изучаемого вещества, представляя собой своеобразный дактилоскопический его маркер [31, 32]. Но, применительно к диагностике злокачественного процесса, данный вид анализа не решает проблемы, поскольку, во-первых, до сих пор не найден специфический маркер рака, а во-вторых, выраженная гетерогенность клеточного состава любой опухоли* сводит на нет якобы специфические (иммуноферментные) характеристики определенного её генотипа. Вместе с тем, оптическая диагностика даже в упрощенном варианте регистрации и оценки суммарных спектров диффузного отражения и пропускания может явиться перспективным диагностическим инструментом [13, 32,42, 108].

• Известны спектральные люминесцентные способы и приборы, .'используемые для диагностики состояния, тканей, основанные на спектроскопии собственной флуоресценции клеточных структур или введении в объект дополнительных экзогенных фотосенсибилизаторов; [31, 78, 89]; Однако упомянутые способы и приборы не обеспечивают устойчивой регистрации различий в спектрах нормальной и раковой тканей, могут вызвать проявление побочных реакций со стороны организма человека при введении; фотосенсибилизаторов (люминесцентных веществ). Известны также; оптические способы диагностики рака, включающие регистрацию спектров диффузного отражения и пропускания; тканей молочной железы [11, 27, 49]. Указанные способы, как правило, реализуются in vitro на полученных после операции образцах, кровенаполнение которых нарушено, и; следовательно, точность измерений низка.

Наибольшее распространение в диагностике рака молочной железы получили; спектроскопия, диффузного отражения и лазерная флуоресцентная спектроскопия. Суть флуоресцентного анализа состоит в том,* что спектры возбуждения определенных биологических молекул различны, причем эти отличия, выраженные количественно, определяют тип опухоли и степень ее злокачественности. Отсюда и отличия в формах линий спектров раковой и: здоровой тканей, что можно считать необходимым и достаточным условием для определения состояния ткани [32].

Спектр диффузного отражения является суперпозицией многократно отраженного от различных слоев ткани- излучения и воспроизводит не ход биохимических реакций, а скорее макроструктуру ткани, соотношение клеточной массы, соединительной ткани и т.п. Уже имеющиеся результаты, полученные в ходе работ по изучению спектра диффузного отражения рака молочной железы [13, 32, 42] показывают перспективность использования этого метода диагностики.

ЦЕЛЬЮ работы явилась разработка подходов, и вариантов оптимизации процедур спектральной диагностики состояния тканеймолочной железы; . ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Изучить спектры диффузного отражения нормальной' и патологически? изменённой ткани молочной железы в условиях in vitro.

2. Изучить спектры; диффузного отражения нормальной и патологически изменённой ткани молочной железы в условиях in vivo.

3. Выявить диагностические критерии: спектров! диффузного отражения: в диапазоне длин волн 400 - 800 им дшг оценки , состояния нормальной и патологически изменённой ткани молочнойгжелезЫ'Ш vitro et in;vivo:

4. Оценить зависимость формы спектра, диффузного отражения РМЖ от варианта гистологического строения объекта.

5; Оценить влияние: на формирование профиля спектров; отражения: тканей молочной железы специфической терапии (химиотерапевтического и лучевого воздействия). . 6. Изучить возможность получения локальной информации oí типах ткани, составляющих опухоль. 7. Выявить возможность изучения; радиального (пространственного) распространения тканей, составляющих, опухоль.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе впервые; с привлечением* высокочувствительного метода спектроскопии, проведён анализ характеристик диффузного отражения операционного материала тканей- молочной железы; позволивший вскрыть зависимость формы и структуры- спектра поглощения и отражения по длинам волн от ряда неспецифических физических характеристик (плотность, цвет и наличие жидкостного компонента). Доказано; что1 в изменении спектров диффузного отражения тканей: молочной- железы выраженное участие in vivo принимает состояние метаболизма; и кровотока, оцениваемого локуса, характеризуясь смещениями пиков отражения и поглощения по длинам волн. Выявленные диагностически значимые области анализируемых спектров в диапазонах 600 - 800 нм и 400 - 600 нм, где первый может быть использован только для оценки наличия свободной, или имбибирующий объект крови, а второй, при сопоставлении наклона спектра и • интенсивности отражённого сигнала, позволяет оценивать плотность сканируемых тканей. При этом характеристики регистрируемых «провалов» интенсивностей в спектре отражения достаточно специфичны для изучаемых структур и представлены: для фиброзной ткани - 418 — 420 нм, для эпителия протоков - 422 - 424 нм, для РМЖ - 425 - 430 нм и для фиброаденомы - 430 -432 нм. Установлено, что отличительной характеристикой «провала» спектра интенсивности отражения от злокачественно трансформированной ткани является его расщеплённый вид. Впервые выполнен сравнительный анализ результатов морфологического и спектрального исследований, позволивший продемонстрировать, что как in vitro , так и in vivo, профиль спектра диффузного отражения имеет тенденцию, при снижении степени дифференцировки гистологического варианта злокачественной трансформации тканей молочной железы, к смещению в длинноволновую область спектра и возрастанию разницы соотношений пиков интенсивностей поглощения и отражения. Показано, что изменение спектра диффузного отражения злокачественно трансформированных тканей in vitro et in vivo в ответ на лечебное системное и локальное воздействие связано, в первую очередь, со снижением васкуляризации тканей, проявляясь пологой формой спектра, уменьшением отражательной способности и «стремлением» линий интенсивностей поглощения (особенно в интервале 420 - 400 нм) в коротковолновую область.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ. В основе спектроскопических различий нормальной и злокачественно трансформированных тканей молочной железы лежат неспецифические характеристики соотношения стромального и клеточного компонентов, представительство и особенности архитектоники сосудистого русла, степень его кровенаполнения и, возможно; выраженность оксигенации протекающей крови.

Аналитичная информация? о морфологическом строении изучаемой ткани в s большей, мере принадлежит к синей области, лишь частично захватывая красную область спектра диффузного отражения в пределах длин волн от 400 нм до 600 нм. Диагностические ; критерии? формируются - путём совокупного анализа,профиля регистрируемого спектра и характеристик интенсивности.

Эффекты» специфического системного' и локального воздействия на опухолевую? ткань, находят отражение: в меняющихся, параметрах; спектров диффузного отражения, коррелируя с морфологическими изменениями и характеризуясь искажениемшрофиля и? смещением пиков интенсивности:

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Разработан и клинически апробирован! оптический; комплекс для in. vivo изучения спектральных, характеристик тканей молочной железы при тонкоигольной биопсии. В рамках выполненных экспериментов« с операционными материалом! и; клинической; апробации« спектральной; идентификации нормальных т патологически? изменённых тканей молочной? железы при тонкоигольной, диагностической* биопсии создана, база данных оптических спектров, ткани молочной; железы; разработана методология1 подготовки больных к. исследованию; оптических, характеристик тканей in vivo:

Показана принципиальная? возможность прижизненной регистрации5 и. анализам спектров диффузного: отражения в процессе тонкоигольной аспирационной биопсии, для? более . качественного забора; материала для; последующего цитологического и; морфологического анализа.

АПРОБАЦИЯ? ДИССЕРТАЦИИ; Материалы диссертации были доложены на IV рабочем-совещании (ноябрь 2001 г.) «Новые медицинские технологии» г. Заречный, Свердловской области; на заседании проблемной комиссии по онкологии 53.09, март 2002 г. Омск; на Конференции "Актуальные вопросы маммологии", апрель 2003, Междуреченск; на научно - практической конференции «Новые диагностические и лечебные технологии в онкологии», сентябрь 2003, г. Томск; на Российской научно-практической конференции с международным участием «Новые технологии в онкологической практике», июнь 2005, г. Барнаул.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Автор выражает признательность и благодарность Павлову В.А. (ИМ МГУ, г. Москва), Баранову A.B., Фёдорову A.B. (ВНЦ ГОИ им С.И. Вавилова, г. Санкт-Петербург), Воробьёву П.В. (ИЯФ, г. Новосибирск) за помощь в работе. Особую признательность и благодарность за вклад и поддержку при создании данного труда необходимо выразить выдающемуся учёному, организатору, отзывчивому, доброму и талантливому человеку, директору ГУП НИКИЭТ «Техноцентр ЛТ» (г. Заречный, Свердловской обл.), доктору технических наук, профессору Вовку Сергею Мирославовичу.

13

ВЫВОДЫ

1. Анализ характеристик диффузного отражения операционного материала тканей молочной железы позволил вскрыть, зависимость, формы и структуры спектра, поглощения и отражения по длинам волн от таких неспецифических физических? характеристик, как их плотность,, цвет и. наличие жидкостного компонента.

2: Прижизненный анализ спектров диффузного отражения тканей молочной железы продемонстрировал, помимо влияния их неспецифических физических характеристик, выраженное участие состояния метаболизма и кровотока оцениваемого локуса в смещении пиков отражения i и поглощения по длинам волн.

3: По результатам in vitro? et: in vivo изучения и: сравнительного анализа спектров диффузного отражения- нормальных и патологически изменённых тканей молочной железы определены диагностически! значимые области? в диапазонах400-600 ими 600-800.

4. Изменение спектральных характеристик диффузного отражения в диапазоне 600 - 800 нм несёт информацию о состоянии ряда неспецифических физических характеристик изучаемого локуса тканей и может использоваться в дифференциальной диагностике только для оценки наличия свободной, или имбмбирующей объект, крови.

5. Сопоставление наклона спектра и интенсивности отражённого сигнала в диапазоне:400600/нм позволяет оценивать плотность сканируемых»тканей;, а характеристики регистрируемых «провалов» интенсивности в- спектре отражения достаточно« специфичны для изучаемых структур и представлены: для фиброзной ткани - 418 - 420 нм, для эпителия протоков — 422 - 424 нм, для ' ЕМЖ - 425 -430 нм и для фиброаденоматозной ткани - 430 - 432 нм.

Отличительной характеристикой «провала» спектра интенсивности отражения • от злокачественно трансформированной ткани является его расщеплённый вид.

6. Несмотря на гетерогенность спектральной картины низкодифференцированных форм рака молочной железы, in vitro et in vivo профиль спектра диффузного отражения имеет тенденцию, при снижении степени дифференцировки гистологического варианта, к смещению в длинноволновую сторону и возрастанию разницы соотношений пиков интенсивности поглощения и отражения.

7. Изменение спектра диффузного отражения злокачественно трансформированных тканей in vitro et in vivo в ответ на лечебное системное и локальное воздействие связано, в первую очередь, со снижением васкуляризации тканей проявляясь пологой формой спектра, уменьшением отражательной способности и «стремлением» линий интенсивности поглощения (особенно в интервале 420 - 440 нм) в коротковолновую область.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на успехи современной онкологии в лечении пациентов < некоторых форм злокачественных заболеваний (особенно заметен прогресс в области системного воздействия), улучшение показателей выживаемости связаны, прежде всего, с диагностическим этапом, преимущественно' с выявлением скрытых и доклинических форм заболеваний.

Модель РМЖ выбрана не случайно для применения ОКД-3: высокая распространённость данного заболевания; работа на базе специализированного отделения онкологического диспансера даёт возможность получить полную информацию о пациенте и его заболевании, вплоть до патогистологического исследования макропрепарата; и кроме того, молочная железа, являясь органом наружной локализации, доступна для минимально инвазивных вмешательств, без каких-либо осложнений для пациента.

Существует несколько объективных препятствий реализации скрининговых программ РМЖ. Прежде всего, причины организационного плана. Развитие скрининговых технологий, для массового осмотра, возможно реализовать посредством участия большого количества специалистов онкологов и параклинических служб, что само по себе несёт большую финансовую нагрузку на учреждения здравоохранения, и необходимость в большем оснащении современной дорогостоящей диагностической аппаратурой. С другой стороны, этап поликлинической работы с пациентом осложняется порой неоднозначностью трактовки полученных результатов как клинического, так и параклинических обследований. Прежде всего, ни одна диагностическая процедура не лишена субъективного фактора трактовки данных. Даже самые современные диагностические аппараты УЗИ и цифровые ММГ требуют определённых навыков и опыта от врача параклинициста. Не является исключением и патоморфологическая служба.

Приведённую в данной работе попытку «объективизировать» диагностический процесс не следует оценивать как шаг в сторону: отдать судьбу пациента в распоряжение компьютера. Хотя как инструмент скрининга^ и> инструмент дополнительной уточняющей диагностики спектроскопия диффузного отражения может быть реализована наряду с уже зарекомендовавшими себя методиками. Наиболее привлекательной, на наш. взгляд, идеей данного метода является возможность получить приближённые данные о структуре ткани, прибегая к инвазивной и не растянутой по времени процедуре патоморфологического исследования. Ведь опытный патоморфолог доступен не каждому учреждению, да и стоимость исследования, особенно в! западных странах, достаточно высокая. Цитологическая диагностика i морфологического < материала, добытого путём тонкоигольной аспирационной биопсии, затрагивает только небольшую часть патологического участка, в то время как спектроскопия диффузного отражения, благодаря? физическим, свойствам^ света распространяться, по биологическим тканям, получает информацию с большего объёма тканей.

Не случаен интерес специалистов во всём мире к методикам, отличным.от стандартных, диагностические возможности которых ограничены исключительно техническими свойствами аппаратов, регистрирующих преимущественно один параметр биологической ткани — их плотность, способность пропускать и* задерживать рентгеновское излучение, ультразвуковое колебание. Регистрация биофизических параметров тканей, таких как спектроскопия, во всём её гигантском многообразии, открыло, по сути дела, новые горизонты в диагностике. К сожалению, несмотря, на' значительные технологические успехи далеко не все методы светодиагностики применимы в условиях in vivo. Большинство методов применяемых in vivo, (и не без успешно) требуют либо* применения фотосенсибилизирующих препаратов, либо громоздкой аппаратуры.

Предложенный нами диагностический аппарат (ОКД-3), обладая малыми габаритами и высокой скоростью получения диагностической информации, может применяться как в лабораторных условиях (in vitro), так и в условиях поликлиники и операционной (in vivo).

С одной стороны, в литературе не так много информации по методикам диагностики на основе спектроскопии диффузного отражения применительно к МЖ, в которых особенно неохотно открываются принципы обработки информации. Это связано преимущественно с коммерческим уклоном разработок, необходимость работы в условиях in vitro.

Широко используются спектроскопические методики in vivo при исследовании патологии полости рта [118]; кожи [86, 91, 115]; желудочно-кишечного тракта [77, 93, 94]. Использование большинства оптических методик диагностики ограничиваются невозможностью подведения источника излучения и приёмника излучения вглубь биологической ткани. Разработанный оригинальный световод к ОКД-3 позволил нам проводить спектроскопию диффузного отражения как с поверхности, так и внедряя* световод вглубь ткани МЖ в условиях in- vivo, не теряя качества отражённого1 сигнала. Подобные работы по идее и содержанию имеются и в зарубежных'странах [63, 73], однако О' сопоставимости подобных работ говорить сложно; из-за весьма скудной картины, предоставляемой авторами.

И, наверное, это не случайно. Нам удалось, выяснить - общий вид получаемой информации (профиль спектра) примерно у всех исследователей' сходный, затруднение вызывает как объяснение принципа формирования, сигнала, так и построение диагностических критериев спектра* диффузного отражения.

В формировании спектра отражения участвует как сама ткань объекта (стромальный и паренхиматозный компонент), так и присутствие жидких сред (преимущественно- кровь). Получены определённые закономерности в интерпретации- спектров« in vivo и in vitro, сходные с визуальной оценкой тканей. Характерные черты присущи для* спектра крови - полное поглощение сигнала в левой области спектра и куполообразный всплеск интенсивности в правой (600 — 800 нм). Жировая ткань даёт очень слабый сигнал отражения практически по всей протяжённости спектра, не имеет резких пиков и провалов интенсивности, исключая случаи прилежания тканей с высокой степенью отражения, что вызывает определённые изменения в сумме сигналов. Плотные .'■ по - своей; структуре: и сходные по цветовой гамме: тканин нуждаются? в/более детальной- оценке; спектров, поскольку имеют весьма- сходный вид спектра; , отличаясь лишь по интенсивности и положению« на шкале длин- волн, максимумов и минимумов интенсивностей.

При формировании спектра диффузного отражения тканеш молочной железы в условиях in vitro; имеют значенияфизическиехарактеристикитканей: оптическаяшлотность и цвет изучаемого объекта; чтош;свою'очередь, влияет на интенсивность отражения^ и угол наклона спектра. Положительный' угол* наклона- характерен для тканеш с выраженным паренхиматозным< и стромальным.- компонентом, отрицательный - для^ жировой ткани. Наиболее информативной! спектральной» областью при? исследованиях; in vitro? является диапазон, соответствующий;длинам волн 400 - 600 нм. В большинстве случаев; по спектральным характеристикам, хорошо. дифференцируются нормальные анатомические структуры молочной железы, такие как жировая, фиброзная • ткань, выводные протоки. МЖ. Определённые трудности существуют прш распознании злокачественно? трансформированных; тканей от, фиброаденом ш фиброзной ткани: Решение подобной диагностической задачи, вероятно, связано не только (и не столько) свосприятием «нативного» спектра, сколько.с физиологическим, «контрастированием» тканей. Определённую пользу могут оказать, физиологические: и фармакологические пробы, безвредные для-пациента, но способные оказывать влияние на функциональное; состояние тканей,.отражающих морфологическую картину изучаемого объекта.

Спектроскопическая информация; ог состоянии ткани» молочной- железы;, изучаемой) методом диффузного отражения, отображается в левой области спектра, в диапазоне длин волн 400- - 600 нм. Наиболее важными-диагностическими интервалами следует считать диапазоны 420 - 440 нм, и 540 — 570 нм, сопровождаемыми поглощением интенсивности, степень выраженности которых, вероятно,, связана с качественными и количественными характеристиками паренхиматозного компонента (в первом интервале) и составляющими крови, таких как гемоглобин (во втором интервале).

Кроме физических характеристик тканей МЖ, на формирование спектра диффузного отражения экстраполируются физиологические особенности, преимущественно связанные с током жидкостей, особенно крови, имеющей характерный спектр, в виде всплеска интенсивности отражения в диапазоне длин волн 600 - 800 нм, и полным поглощением сигнала в диапазоне 400 - 600 нм. Благодаря этому условию для большинства тканей оказался неприемлем диагностический критерий, основанный на измерении угла наклона спектра, т.к. имеется влияние спектра крови на увеличение отражения в правой области спектра (600 - 800 нм). Дифференциальная диагностика тканей, в т.ч. и злокачественной трансформации, основывается на изменении положения максимумов и минимумов отражения в диапазоне 400 - 600 нм, в совокупности с общей характеристикой спектра.

Как уже отмечалось, наиболее выраженный первый провал в графике спектра диффузного отражения тканей МЖ присутствует почти во всех типах ткани и оказывает значительное влияние на общий вид профиля спектра. На основе полученных данных можно даже составить определённый диагностический ряд, основываясь на минимуме интенсивности в первом «провале». У неизменённой фиброзной ткани минимум интенсивности провала в диапазоне - 418 - 420 нм, эпителия протоков - 420 - 422 нм, злокачественных опухолей МЖ - 425 - 430 нм, фиброаденом - 430 - 432 нм.

Следует отметить, что изменение спектра диффузного отражения у злокачественно изменённых тканей после лечебного системного (ПХТ) и локального (ЛТ) воздействия, проявляется в более пологой форме спектра и стремлении к смещению линий интенсивностей поглощения (особенно в интервале 420 - 440 нм) в левую (ультрафиолетовую область). Низкодифференцированные формы РМЖ также сопровождаются «нетипичной» формой спектра диффузного отражения: имеют более высокий разброс интенсивностей в точках максимумов и минимумов, смещаясь в 1 ' правую часть спектра.

Внимание большинства исследователей приковано именно к левой части , спектра, даже уходя в невоспринимаемую человеческим глазом его часть, за 300 нм. К сожалению, этот диапазон, за гранью восприятия ОКД- 3, однако даже диапазон близкий к ультрафиолету, регистрирует весьма полезную информацию. В этом участке, вероятнее всего, регистрируется не только информация о количественном соотношении элементов, формирующих ткань, но и качественном её состоянии.

Как показала наша работа, наиболее целесообразно и оптимально поручать работу по сравниванию спектров вычислительной машине, которая, учитывает общие закономерности, характерные для того или иного типов тканей, и сравнивает исходный спектр со спектрами, находящимися в базе данных. Это избавит оператора от рутинной работы и снизит возможность диагностической ошибки.

Таким образом, спектроскопия диффузного отражения в диагностике онкологической патологии МЖ, применяемая с использованием ОКД - 3 способна даже на настоящем этапе реализовывать ряд диагностических задач, алгоритм решения которых основывается на сопоставлении входящих данных с выявленными закономерностями построения отражённого сигнала от биологической ткани, и на сравнении с параметрами уже имеющихся «верифицированных» спектров. Методика спектроскопии диффузного отражения, несмотря на свою относительную сложность, реализованная в« ОКД - 3, адаптирована под работу врача, владеющего методикой'тонкоигольной аспирационной биопсии. Аппараты подобного плана в дальнейшем, возможно, будут участвовать в проведении процедуры «оптической биопсии» предваряя морфологический диагноз, дополняя данные рутинного морфологического исследования, уменьшая время обследования пациентов и снижая затраты, тем самым оптимизируя работу патоморфологических лабораторий, использоваться как этап дополнительной уточняющей диагностики.

135