Разработка метода ранней неинвазивной экспресс-диагностики злокачественных новообразований кожи с помощью 2D сканирующей конфокальной микроспектроскопии фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-25-00249

НазваниеРазработка метода ранней неинвазивной экспресс-диагностики злокачественных новообразований кожи с помощью 2D сканирующей конфокальной микроспектроскопии фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света

Руководитель Тимурзиева Алина Борисовна, Кандидат медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-602 - Физические методы медицинской диагностики. Томография

Ключевые слова Злокачественные новообразования кожи, ранняя экспресс-диагностика, неинвазивная диагностика, конфокальная микроспектроскопия фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света

Код ГРНТИ76.13.99

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Заболеваемость населения России злокачественными новообразованиями кожи занимает одно из лидирующих мест среди всех злокачественных опухолей. Ранняя диагностика злокачественных новообразований кожи, в том числе - меланомы, базальноклеточной карциномы, плоскоклеточной карциномы - является чрезвычайно актуальной социально-значимой проблемой, что подтверждается статистикой о заболеваемости и смертности населения в Российской Федерации и за рубежом [1,2]. На ранних стадиях патологии клинические признаки новообразования недостаточно выражены и необходима дифференциальная уточняющая диагностика, с которой без инструментальных средств способны справиться только высококвалифицированные медицинские работники. Окончательный диагноз с высокой точностью определяют только при помощи гистологических исследований хирургически удалённых тканей, что может негативно сказываться на эффективности лечения [2-4]. При этом существующие неинвазивные методы и инструментальные средства, широко применяемые в онкологии, не обеспечивают достаточной эффективности ранней диагностики [2-5]. Перспективным путем решения данной проблемы является поиск новых оптических методов ранней неинвазивной диагностики и анализа строения тканей человека. Поэтому целью настоящего проекта является разработка нового метода ранней неинвазивной дифференциальной экспресс-диагностики новообразований кожи. Впервые будет исследовано использование 2D сканирующей конфокальной микроспектроскопии фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света для высокоэффективной ранней экспресс-диагностики новообразований кожи с возбуждением в видимом – ближнем инфракрасном диапазонах (405, 532, 785, 1064 нм) [5, 6]. Данный метод - единственный из существующих неинвазивных методов диагностики, который позволяет без нарушения кожных покровов выявить характерные патоморфологические признаки злокачественных новообразований кожи, в том числе и особенности гистологических типов, что значительно облегчает дифференциальную диагностику и верификацию новообразований кожи [5-8]. А также позволяет проводить прижизненную оценку морфологии новообразований кожи и оперативно определить дальнейшую тактику ведения пациента, в том числе и оптимальную схему терапии [3-8]. В настоящем проекте будет решаться комплекс научно-технических задач: проведение исследований новообразований кожи в норме и при патологии с помощью современных сканирующих конфокальных микроскопов-спектрометров фотолюминесценции и комбинационного рассеяния света в видимом-ближнем ИК-диапазонах; разработка комплекса диагностических признаков, отражающих как поверхностные, так и глубинные особенности структуры новообразования; анализ результатов экспериментальных исследований; выработка диагностических критериев. [1] LeBoit P.E. et al. World Health Organization Classification of Tumours. Pathology and Genetics of Skin Tumours. IARC Press: Lyon, 2006. 355 p. [2] Злокачественные новообразования в России в 2019 году (заболеваемость и смертность) / Под ред. А.Д. Каприна − М.: МНИОИ им. П.А. 2020. 252 с. [3] Решетов, И.В. Опухоли органов головы и шеи: технология лечения и реабилитации пациентов: реконструкция тканей / Москва: [б. и.], 2016. - 514 с. [4] Е.Н. Римская и др. Дифференциация пигментных новообразований кожи на основе цифровой обработки оптических изображений. Оптика и спектроскопия. 2019. Т. 126, № 5. С. 584–595. [5] V.V. Tuchin (Ed.), Handbook of Optical Biomedical Diagnostics. Light-Tissue Interaction, PM262, Methods, PM263, SPIE Press, Bellingham, WA, USA, 2016–1420 p. [6] Сui S et al. Rаman Spеctroscopy and Imаging for Cancer Diagnosis // J Healthc Eng.2018. [7] Rаmírez-Elías MG, González FJ. Rаman Spectroscopy for In Vivo Medical Diagnosis // Raman Spectroscopy. London: IntechOpen. 2018; [8] Tfayli A et al. Confocal Raman microspectroscopy on excised human skin: uncertainties in depth profiling and mathematical correction applied to dermatological drug permeation. J Biophotonics. 2008. V.1(2). P.140-53.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Римская Е.Н., Шелыгина С.Н., Тимурзиева А.Б., Сараева И.Н., Переведенцева Е.В., Мельник Н.Н., Кудрин К.Г., Решетов Д.Н., Кудряшов С.И. Multispectral Raman Differentiation of Malignant Skin Neoplasms In Vitro: Search for Specific Biomarkers and Optimal Wavelengths International Journal of Molecular Sciences, 24, 19, 14748 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms241914748

2. Тимурзиева А.Б., Римская Е.Н., Кудрин К.Г., Шелыгина С.Н., Дуванский В.А., Рябов М.В. Ранняя неинвазивная экспресс-диагностика базально-клеточной карциномы кожи головы и шеи для повышения качества организации онкологической помощи Профилактическая медицина, 26, 11, 29‑33 (год публикации - 2023)
10.17116/profmed20232611129

3. Шелыгина С.Н., Римская Е.Н., Тимурзиева А.Б., Сараева И.Н., Кудрин К.Г., Рупасов А.Е., Настулявичус А.А. Дифференциация новообразований кожи методом спектроскопии комбинационного рассеяния с длиной волны возбуждения 532 nm в диапазоне высоких волновых чисел Оптика и спектроскопия, том 132, вып. 1, стр. 88-96 (год публикации - 2024)
10.61011/OS.2024.01.57556.14-24

4. Сараева И.Н., Римская Е.Н., Горевой А.В., Тимурзиева А.Б., Шелыгина С.Н., Переведенцева Е.В., Кудряшов С.И. Анализ спектров комбинационного рассеяния света при возбуждении на длинах волн 532 и 785 nm для экспресс-диагностики опухолей кожи Оптика и спектроскопия, том 132, вып. 1, стр. 13-20 (год публикации - 2024)
10.61011/OS.2024.01.57543.9-24

5. Римская Е.Н., Горевой А.В., Шелыгина С.Н., Переведенцева Е.В., Тимурзиева А.Б., Сараева И.Н., Мельник Н.Н., Кудряшов С.И., Кучмижак А.А. Multi-Wavelength Raman Differentiation of Malignant Skin Neoplasms International Journal of Molecular Sciences, 25(13), 7422 (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25137422

6. Сараева И.Н., Римская Е.Н., Тимурзиева А.Б., Горевой А.В., Шелыгина С.Н., Попадюк В.И., Переведенцева Е.В., Кудряшов С.И. Analysis of Skin Neoplasms’ Raman Spectra Using the Lorentz Approximation Method: Pilot Studies JETP Letters, Volume 119, pages 556–563 (год публикации - 2024)
10.1134/S0021364023604153

7. Тимурзиeва А.Б., Попадюк В.И., Вертиева Е.Ю., Федина М.С., Омарова А.Р., Римcкая Е.Н., Шeлыгина С.Н., Сараева И.Н. Ранняя экспресс-диагностика опухолевых заболеваний кожи головы и шеи при микроспектроскопии комбинационного рассеяния света Профилактическая медицина (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Сочетание видимой и ближней инфракрасной возбуждаемой микроспектроскопии комбинационного рассеяния света (КР) является перспективным для изучения молекулярных биомаркеров, использование которых может лечь в основу новых методов скрининга для выявления признаков злокачественного роста до формирования морфологических проявлений и обеспечения быстрой дифференциации между типами опухолей. Таким образом, получение спектров КР тканей кожи с использованием возбуждения 532 нм может выявить новые биохимические индикаторы развития опухолей и улучшить их обнаружение на ранних стадиях, дополняя обычно используемые лазеры 750–850 нм при разработке методов комбинационной спектроскопии с многоволновым возбуждением. Авторами Проекта был разработан новый метод анализа параметров спектральных полос, основанный на расчете второй производной и лоренцевой аппроксимации спектров. Были получены параметры спектральных полос методом Лоренцева приближения и рассчитаны спектральное положение пика, его ширина и площадь под кривой. В результате использования данного метода было установлено, что процессы в опухолях кожи могут вызывать деформацию вторичной структуры белков, приводящую к деградации и смещению соответствующих полос (972 см–1, 1655 см–1) в область низких частот. Полосы, соответствующие липидам, в новообразованиях кожи либо расширяются и увеличиваются, либо расщепляются на два пика (полосы 1061, 1127, 1297, 1439, 1745 см–1). Нарушение структуры липидов, также обозначенное в нескольких полосах как сдвиг в сторону меньших волновых чисел, обусловлен повышенной текучестью клеточной мембраны в опухолях. Проведенный анализ экспериментальных данных нормы и патологий in vitro (ПКК и БКК) на длинах волн возбуждения 532 и 785 нм КР спектров с помощью методов на основе спектральных особенностей опухолей кожи и метода главных компонент (PCA) позволяет проводить дифференциальную диагностику злокачественных новообразований. Анализ КР полос, которые обеспечивают самые высокую классификацию, полезен для понимания биохимических изменений во время развития опухоли, где содержание белков и липидов может играть важную роль в качестве биомаркеров. PCA и корреляционный анализ показали, что 25 основных полос КР можно разделить на две группы для характеристики соотношения липидов и белков, в то время как полосы, связанные с белками (включая полосы нуклеиновых кислот), можно дополнительно подразделить на две группы в зависимости от их интенсификации в злокачественных новообразованиях; это разделение составило основу для дифференциации. Использование соотношений интенсивности нескольких правильно выбранных полос КР обеспечило схожую классификацию, как и равное количество наиболее подходящих признаков PCA, что дало до 80%, 88% и 95% общего TPR (доля верно классифицированных) для двух, трех и пяти признаков соответственно. Отношения интенсивностей полос при 1268, 1336 и 1445 см−1 оказались наиболее надежными критериями для трехклассовой дифференциации при возбуждении 532 нм, тогда как полосы из области более высоких волновых чисел (2850, 2880 и 2930 см−1) были надежной мерой повышенного соотношения белок/липид в опухолях при обеих длинах волн возбуждения. Чрезмерная интенсивность некоторых связанных с белками полос в спектрах образцов ПКК при 532 нм, которая позволяет различать их и два других класса, но не имеет места при возбуждении 785 нм, вряд ли может быть объяснена массивной кератинизацией и может быть вызвана резонансно-усиленным комбинационным рассеянием гемовых белков, некоторые из которых, как было доказано в других исследованиях, являются маркерами рака. В частности, выбор трех полос из объединенного набора данных (532 + 785) позволил повысить точность до 87% для трех классов и достичь специфичности для BCC + SCC, равной 87% и 81% при чувствительности 95% и 99% соответственно. Микроспектроскопия КР с многоволновым возбуждением может стать универсальным неинвазивным инструментом как для исследования процессов в злокачественных опухолях кожи, так и других формах рака, а также для их ранней диагностики. Разработанный авторами Проекта новый метод ранней диагностики рака кожи на основе мультиспектральной микроспектроскопии комбинационного рассеяния света позволяет без нарушения кожных покровов выявить характерные патоморфологические признаки злокачественных новообразований кожи, в том числе и особенности гистологических типов [https://www.1tv.ru/news/2024-05-28/477550-v_moskve_prohodit_obschee_sobranie_rossiyskoy_akademii_nauk; https://www.1tv.ru/news/2024-05-28/477562-na_obschem_sobranii_ran_obsuzhdali_nastoyaschee_i_buduschee_otechestvennoy_nauki]. Таким образом, в результате выполнения данного Проекта в 2024 году были получены важные результаты в области 1) разработан новый метод анализа параметров спектральных полос, основанный на расчете второй производной и лоренцевой аппроксимации спектров; 2) разработан и апробирован новый метод дифференциальной диагностики злокачественных новообразований на основе спектральных особенностей опухолей кожи и метода главных компонент (PCA); 3) создана уникальная верифицированная база данных 2D карт спектров люминесценции и комбинационного рассеяния света новообразований кожи in vitro и in vivo, при возбуждении на различных длинах волн; 4) разработан дифференциально-диагностический алгоритм (pattern analysis) распознавания нормы и патологии для каждой нозологии. Научные результаты опубликованы в высокорейтинговых научных журналах International Journal of Molecular Sciences (MDPI, Q1), JETP Letters (Springer, Q3) и Optics and Spectroscopy (Springer, Q4).

Публикации