Использование рaмaн-флуоресцентных технологий в ранней диагностике воспалительных и опухолевых заболеваний как часть стратегического направления формирования общественного здоровья и инструмент для повышения качества оказания медицинской помощи: обзор литературы

АКТУАЛЬНОСТЬ

Согласно данным ВОЗ, от рака различной локализации (в том числе от рака легких, предстательной железы, желудка, толстой кишки, кожи и др.), как одной из ведущих причин смертности в мире, в 2020 г. умерло около 10 миллионов человек; и с каждым годом данные цифры неуклонно растут [1]. Эта проблема остается одной из важнейших на сегодняшний день и требует определения стратегических направлений формирования общественного здоровья, нацеленных на ее решение. Частью одной из подобных стратегий является разработка методов ранней диагностики воспалительных и опухолевых заболеваний для повышения качества оказания медицинской помощи. Выявление онкологических заболеваний на ранней стадии относится к одной из актуальнейших задач современной медицины [2]. Для определения патологического процесса (как воспалительного, так и опухолевого) на стадии его зарождения необходимо применять методы, отвечающие всем критериям качества оказания медицинской помощи, а именно доступности, непрерывности, преемственности, ориентированности на пациента и его удовлетворенности, безопасности, своевременности, соответствующему научно-техническому уровню [3].

В клинической медицине широко используются различные методы диагностики воспалительных и опухолевых заболеваний, однако основные сложные моменты, как правило, связаны с невозможностью выявить изменения, происходящие в ткани при вышеупомянутых заболеваниях, на стадии их инициации. На сегодняшний день для повышения качества оказания медицинской помощи необходима разработка высокотехнологичных медицинских вмешательств для проведения ранней диагностики. На данный момент в клинической практике широко применяются, помимо объективного осмотра, микробиологический, гистологический, иммуногистохимический методы, а также ПЦР-диагностика, компьютерная и магнитно-резонансная томография, ультразвуковое исследование [4–11] и др. Патогистологический метод дифференциации тканей часто относят к «золотым стандартам» диагностики [5], однако этот метод часто проигрывает во времени, несмотря на свою точность и специфичность. Вопрос проведения ранней ускоренной диагностики воспалительных и опухолевых заболеваний является открытым. Оптические технологии качественно зарекомендовали себя в клинической медицине [12–22], в частности, раман-флуоресцентная спектроскопия (РФС) [15–18][21][22].

Под рамановским, или комбинационным, рассеянием света ученые понимают неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах различных субстанций, которое сопровождается значительным изменением частоты, благодаря чему появляются индивидуальные спектральные полосы (линии), которые не отмечаются в спектре возбуждающего света. Таким образом, каждый изучаемый объект имеет свой строго определенный набор рамановских линий.

Многие существующие на сегодняшний день методы диагностики не обладают достаточной чувствительностью, специфичностью и пространственным разрешением, однако рамановская спектрометрия, имея перечисленные преимущества, может быть эффективна не только в диагностике заболеваний, но и в их лечении и мониторинге.

При взаимодействии лазерного излучения с тканью происходит сложный процесс, включающий в себя отражение, поглощение, упругое и неупругое рассеяние, флуоресценцию и др. Анализ данных феноменов при регистрации спектральных характеристик дает нам представление о метаболическом и морфометрическом состоянии ткани. Диагностика заболеваний in vivo с использованием оптической спектроскопии позволяет ставить диагноз в экспресс-режиме in situ без проведения инвазивных вмешательств. К одним из таких методов диагностики относится спектроскопия комбинационного, или рaмановского, рассеяния света, которая является оптическим методом, основанном на неупругом рассеянии света и позволяющим получить индивидуальные «отпечатки пальцев» клеток биообъекта. Рaмановская спектрометрия позволяет оценить молекулярные особенности, отмечающиеся в клетках тканей пациентов и регистрирующиеся при различных видах заболеваний. Основными преимуществами метода на основе комбинационного рассеяния света являются его нeинвазивность, чувствительность, специфичность, скорость, универсальность, возможность оценки строения тканей на молекулярном уровне in vitro и in vivo [23–25]. Основной смысл применения данной методики в рассматриваемом аспекте заключается в возможности анализа составляющих исследуемых тканей и характера процесса, происходящего в них, что может быть полезным в идентификации онкологического процесса [22].

Согласно данным отечественных и зарубежных научных трудов, метод раман-флуоресцентной спектрометрии отвечает вышеперечисленным требованиям [22–25][26–29][35], позволяя получить максимальную информацию об изучаемом биологическом объекте за короткий срок, а также открывая новые возможности для проведения быстрой, неинвазивной диагностики с соответствующим анализом происходящих в тканях процессов на микроуровне, определением биомаркеров заболевания и мониторингом проводимой терапии [26].

В литературе описаны перспективы использования метода РФС в различных специальностях клинической медицины [1][12][13][15–18][21–26]. В частности, возможно применение рамановской спектрометрии в индикации бактерий и вирусов, что может играть важную роль для своевременного выявления ведущего этиологического фактора при воспалительных заболеваниях [27]. Имеются данные об использовании спектроскопии комбинационного рассеяния света в диагностике сердечно-сосудистых заболеваний, в том числе, для биохимической оценки изменений в сосудах при атеросклерозе на ранних этапах развития заболевания; методика может использоваться in vivo для анализа структурных кардиоваскулярных изменений у пациентов с артериальной гипертензией; возможна оценка характеристик ткани миокарда в зоне после инфаркта [27]. Использование метода рамановской спектроскопии описано в отношении диагностики новообразований кожи, легких, полости рта и глотки, молочной железы, желудка и толстой кишки, шейки матки, головного мозга, мочевого пузыря [28].

С каждым годом разрабатываются новые модификации метода [17][29], в том числе с использованием микроскопа и оптоволоконного световода. В настоящий момент рассматривается внедрение данного метода в систему здравоохранения для применения в различных специальностях клинической медицины [17]. Диагностическая точность и скорость данной технологии имеют значимые перспективы для использования в клинической медицине [17][21]. Модификация микро-рамановской спектроскопии показала себя эффективной в дифференциации бактерий, клеток различных видов тканей; изучении вопроса антибактериальной резистентности; применении метода в персонализированной медицине [30]. В настоящее время разработаны аппаратно-программные комплексы для регистрации спектров тканей в условиях фонового освещения [31]. При проведении диагностики in vivo раман-флуоресцентная спектрометрия может быть использована в модификации с эндоскопической методикой для более прицельной визуализации патологического очага. В будущем возможно использование роботизированной техники для проведения хирургических вмешательств с использованием данного метода [32]. При разработке специальных алгоритмов представляется возможным не только оценивать морфометрические параметры ткани с использованием данного метода, но и физиологические процессы, происходящие в ней, а именно характер кровотока, изменение метаболитов в динамике и т. д. Кроме того, с использованием этих технологий возможна идентификация различных штаммов возбудителей, в том числе резистентных к определенным видам антибактериальных препаратов и биопленок. Определение типов клеток и изучение клеточного метаболизма и взаимодействия лекарственного препарата с клеткой также возможны с использованием вышеупомянутого метода и его модификаций.

Выявление заболевания на ранней его стадии способствует значительному повышению качества оказания медицинской помощи [33]. В частности, интересных результатов удалось добиться в диагностике рака молочной железы с использованием эффекта комбинационного рассеяния света. Раман-флуоресцентная спектроскопия позволяет идентифицировать болезнь Альцгеймера на основе спектроскопии комбинационного рассеяния образцов крови. Использование комбинационного рассеяния света в ближней инфракрасной области в сочетании с данными расширенной многомерной статистики позволяет идентифицировать типы деменции с чувствительностью и специфичностью более 95 %. Рамановская микроспектроскопия может использоваться для идентификации пятен на месте преступления, характеризующих тип биологической жидкости организма; определения пола, расы и возрастной группы донора [34].

Имеются работы по изучению использования рамановской спектроскопии в диагностике колоректального рака. Согласно данным одного из исследований, были отмечены различия в спектральных данных тканей пациентов с предраковыми изменениями тканей и со злокачественным поражением в результате колоректального рака с чувствительностью, специфичностью, диагностической точностью 0,94, 0,94 и 0,96, соответственно [35]. Колебательная спектроскопия в инфракрасном диапазоне с комбинационным рассеянием света позволяет получить информацию о состоянии биологического объекта in vivo, ex vivo и in vitro [36][37], в том числе для оценки процесса, происходящего в тканях донорских органов перед проведением трансплантации. РФС активно используется также для исследований в области регенеративной медицины [22].

Одним из эффективных способов для идентификации биомаркеров в тканях является поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия, позволяющая зарегистрировать минимальную концентрацию биомаркера в биологической жидкости, ткани, как in vitro, так и in vivo [38][39]. Поверхностно-усиленная спектроскопия комбинационного рассеяния света ранее использовалась in vitro, однако в последние несколько лет появились первые сообщения о возможности визуализации злокачественного процесса in vivo [40][41].

Особого внимания заслуживает диагностика инфекционных заболеваний методом РФС. Были обнаружены статистически значимые различия между спектрами мочи здоровых добровольцев и пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности и раком мочевого пузыря с точностью 88,7 %, чувствительностью 83,3 %, специфичностью 91,0 % [42].

Описано исследование применения метода рамановской спектроскопии для диагностики хондрогенных опухолей, включая энхондромы и хондросаркомы на различных стадиях. Основными изменениями, выявляемыми с помощью рамановской спектроскопии, являются прогрессирующая деградация компонентов коллагена II типа, процесс кальцификации и пролиферации клеток в тканях энхондромы и хондросаркомы на различных стадиях [43]. Биохимические изменения свойств костной ткани могут быть зарегистрированы методом РФС в связи с наличием определенного количества фосфатов, карбонатов и коллагена, что позволяет идентифицировать процесс метастазирования в кости при злокачественных новообразованиях, например при раке предстательной и молочных желез [43].

На сегодняшний день существуют технологии использования раман-флуоресцентной спектрометрии в сочетании с машинным обучением с целью экспресс-диагностики опухолевых, инфекционных, нейродегенеративных и аутоиммунных заболеваний [44][45]. При диагностике рака мочевого пузыря метод раман-флуоресцентной спектроскопии достиг высокой чувствительности и специфичности – 0,91 и 0,93 соответственно [46].

Метод «оптической биопсии» успешно используется для обнаружения заболеваний, однако высокая цена спектрометра комбинационного рассеяния затрудняет его широкое применение. На данный момент разрабатываются аппаратно-программные комплексы с желаемой оптической конфигурацией для проведения неинвазивной диагностики заболеваний [47]. Согласно данным некоторых авторов, существуют модификации приборов, которые позволяют применять метод спектроскопии комбинационного рассеяния в диагностике рака головного мозга, яичников, молочных, предстательной и поджелудочной желез, а также циркулирующих опухолевых клеток при метастазировании [48]. Метод рамановской спектроскопии продемонстрировал эффективность в экспресс-диагностике рака эндометрия и гиперплазии эндометрия с признаками атипии, что было отмечено путем изучения рамaновских спектральных характеристик тканей эндометрия, перитoнеальной жидкости, плазмы крови у пациенток с заболеваниями эндометрия [49].

При проведении экспресс-диагностики важно оценивать не только рамановский эффект, но и феномен флуоресценции тканей. Описано использование лазерно-флуоресцентного метода диагностики фиброза кожи. Данный метод позволяет оценить изменения кожи при фиброзирующем процессе на основании лазерной флуоресцентной спектроскопии и оптической тканевой оксиметрии. Выраженность процесса воспаления и гипоксии при фиброзе, а также стадии развития последнего могут быть проанализированы с использованием флуоресцентных методов [50, 51]. Оценка степени тканевой гипоксии методом лазер-индуцированной спектроскопии относится к перспективным направлениям клинической медицины [52]. Согласно одному из исследований, интенсивность флуоресценции эндогенных флуорофоров может характеризовать ишемическое повреждение внутренних органов, в том числе in vivo [53]. Лазерная флуоресцентная спектроскопия in vivo в медицине может не только служить информативным методом диагностики злокачественных новообразований, но и демонстрирует возможность применения в идентификации ишемической гипоксии и воспалительного процесса [54]. Метод флуоресцентной диагностики применяется также в нейрохирургии глиом головного мозга и может использоваться интраоперационно для более четкого определения границ резекции опухоли [55]. Согласно данным литературы, метод аутофлуоресцентной эндоскопии является эффективным при идентификации диспластических изменений в эпителиальных образованиях толстой кишки [56]. Использование флуоресцентных методов диагностики и лечения воспалительных и опухолевых заболеваний описано в различных направлениях клинической медицины [50–53, 55–59], что свидетельствует о возможности использования метода в различных его модификациях, в зависимости от поставленной цели исследования.

Использование раман-флуоресцентных медицинских технологий возможно и в диагностике и лечении воспалительных и опухолевых заболеваний головы и шеи. Полученные результаты исследования, продемонстрировавшие эффективность применения рамановского рассеяния и флуоресценции в диагностике и лечении заболеваний головы и шеи, подробно будут представлены в следующих публикациях.

Таким образом, раман-флуоресцентные медицинские технологии могут быть использованы в ранней идентификации воспалительных и опухолевых заболеваний как in vivo, так и in vitro, как интраоперационно, так и в качестве скрининговой методики. Разработка специальных алгоритмов ранней диагностики и лечения, базирующихся на феноменах комбинационного рассеяния света и флуоресценции в совокупности с методами машинного обучения и искусственного интеллекта, может в перспективе рассматриваться в качестве части одного из стратегических направлений формирования общественного здоровья и инструмента для повышения качества оказания медицинской помощи в различных направлениях клинической медицины.