Определение метаболических и структурных особенностей глиом головного мозга и перитуморальной области на основании мультимодальной визуализации методами МРТ, ОКТ и FLIM

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 23-75-10068

НазваниеОпределение метаболических и структурных особенностей глиом головного мозга и перитуморальной области на основании мультимодальной визуализации методами МРТ, ОКТ и FLIM

Руководитель Яшин Константин Сергеевич, Кандидат медицинских наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Приволжский исследовательский медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации , Нижегородская обл

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-603 - Рентгенология, радиационная медицина, медицинская визуализация

Ключевые слова глиобластома, магнитно-резонансная томография, МРТ, оптическая когерентная томография, ОКТ, флуоресцентый имиджинг с временным разрешением, FLIM

Код ГРНТИ76.29.62

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Глиобластома является наиболее агрессивной опухолью головного мозга, которая характеризуется инфильтративным ростом в окружающую мозговую ткань. Оперативное вмешательство является основным этапом комбинированного лечения и проводится с целью удаления основного объема опухоли, устранения отека головного мозга и симптоматики, а также морфологической верификации процесса. Основная концепция в хирургии глиом головного мозга - максимально возможное удаление опухоли с сохранением высокого функционального статуса пациента. Соблюдение данного принципа предполагает использование современных технологий для понимания структурных, метаболических, молекулярно-генетических особенностей каждой конкретной опухоли и окружающей ее мозговой ткани. Предоперационное обследование на основании стандартных последовательностей МРТ не предоставляет нейрохирургу достаточно полной информации о структурных и метаболических особенностях опухоли, параметрах ее кровоснабжения, предполагаемой молекулярно-генетической информации, размерах области отека-инфильтрации. Для преодоления названных ограничений разрабатываются новые количественные последовательности МРТ – метаболические, диффузионные и перфузионные. В ходе оперативного вмешательства нейрохирургу необходимо решать поставленные на этапе планирования задачи - удалить максимально возможный объем опухолевой ткани в пределах здоровой ткани мозга, не упустить забор для гистологического исследования наиболее злокачественных участков опухоли и сохранить высокий функциональный статус пациента. Для решения этих задач наиболее перспективными выглядят методы оптического биоимиджинга - оптическая когерентная томография (ОКТ) и двухфотонная флуоресцентная микроскопия с временным разрешением (FLIM). ОКТ позволяет с высокой диагностической точность дифференцировать опухолевую ткань и белое вещество, а также оценивать морфологическое состояние волокон белого вещества и выявлять его повреждение на основе рассеивающих свойств ткани. FLIM позволяет оценить метаболический статус ткани на основе регистрации эндогенной флуоресценции, в случае опухоли потенциально давая информацию о степени ее злокачественности, а в случае перитуморальной области определить метаболические перестройки, сопутствующие опухолевой инвазии. Целью проекта является исследование опухоли и перитуморальной области методами МРТ, ОКТ и FLIM на образцах ткани от пациентов с глиальными образованиями различной степени злокачественности. В проекте впервые будeт проведены исследования биологических свойств опухолей пациентов путем сопоставления в опухоли и перитуморальной области метаболических, диффузионно-тензорных (структурных) и перфузионных параметров МРТ и FLIM, а также диффузионно-тензорных (структурных) параметров и ОКТ. Для всех полученных данных будет проведена морфологическая верификация. Полученные данные позволят выявить корреляции между получаемыми на дооперационном этапе данными МРТ и интраоперационными данными, доступными методами оптического биоимиджинга. Таким образом, будет разработан алгоритм комбинированного и последовательного применения современных последовательностей МРТ для планирования оперативного вмешательства с методами оптического биоимиджинга непосредственно во время операции. Предлагаемые в данном проекте методы зарекомендовали себя в качестве перспективных технологий в нейроонкологии, однако их изучение и применение носит относительно разрозненный характер. Реализация заявленного проекта коллективом специалистов в области оптического биоимиджинга, МРТ визуализации и нейрохирургии позволит расширить биологическую и клиническую ценность каждого метода по отдельности, а также сформулировать принципы их совместного применения в области хирургического лечения глиом головного мозга. По результатам Проекта будет опубликовано 8 статей (Web of Science, Scopus). Результаты будут представлены на конференциях различного уровня (не менее 3 выступлений в год).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Общей целью проекта является поиск структурно-функциональных отличий между глиальной опухолью и нормальной тканью головного мозга с применением современных методов нейровизуализации - метаболических, диффузионно-тензорных и перфузионных последовательностей МРТ и оптического биоимиджинга – оптической когерентной томографии (ОКТ) и флуоресцентного имиджинга с временным разрешением (FLIM). Во второй год реализации Проекта был продолжен набор целевых пациентов и их комплексное исследование согласно отработанным ранее протоколам. Анализ данных включал получение следующих количественных характеристик: (1) МРТ – коэффициенты диффузии (ИКД), фракционной анизотропии (ФА), скорости церебрального кровотока (СЦК), относительной концентрации свободных амидных групп (КСА); (2) FLIM - параметры затухания автофлуоресценции тканей мозга: tm – средневзвешенное время жизни, t1 – короткая компонента времени жизни, t2 – длинная компонента времени жизни, а1 – процентный вклад короткой компоненты, а2 - процентный вклад длинной компоненты; (3) ОКТ - коэффициенты затухания сигнала в ко- (Att(co)) и кросс- (Att(cross)) поляризационных каналах. В части иммуногистохимического и молекулярно-генетического исследования проводилось определение маркёров Ki-67, IDH1, IDH2, VEGFA, VEGFR1, VEGFR2, VEGFR3, GLUT3, GLUT1, LDHA, HIF1a. За отчетный период проведено исследование 32 пациентов с глиомами головного мозга, общее количество пациентов за 2023-2025 гг составило 59. Имеющаяся база данных изображений была существенно дополнена. Параллельно ОКТ и FLIM снято у 26 пациентов (100 образцов). База ОКТ изображений была дополнена архивными данными, что увеличило количество пациентов с ОКТ исследованием до 100. В расширенную базу данных МРТ изображений включены результаты исследования 108 пациентов. Получены предварительные результаты комплексного исследования опухоли и перитуморальной области по двум направлениям: 1) анализ метаболической картины опухоли и перитуморальной области на основании комбинированного применения МРТ (параметры ASL перфузии, АПТ) и FLIM, а также данных иммуногистохимических исследований; 2) анализ структурных особенностей белого вещества перитуморальной области на основании комбинированного применения МРТ, ОКТ и морфологических исследований. FLIM исследование метаболических особенностей опухоли и перитуморальной зоны выявило существенные различия между ними. Более высокие значения времени жизни флуоресценции были характерины для опухолевой ткани по сравнению с интактным белым веществом (p<0.05), причем наиболее выраженные изменения характерны для глиобластом. Перитуморальная зона занимала промежуточное метаболическое положение между опухолью и нормальной тканью, что свидетельствует о значительных биохимических изменениях даже в морфологически сохранных участках. Применение мультипараметрической МРТ позволило установить наличие статистически значимых различий между опухолями с наличием мутации IDH и без нее, включая более низкие значения СЦК у астроцитом с наличием мутации IDH и характерные изменения параметров ФА и СКА в перитуморальной области. Корреляционный анализ выявил четкую зависимость между степенью злокачественности и значением ИКД Иммуногистохимическое исследование показало повышенную экспрессию GLUT1/3 в перитуморальной зоне и более равномерное их распределение в опухолях с наличием мутации IDH. При этом глиобластомы демонстрировали гетерогенную экспрессию HIF1α, тогда как MCT4 не показал диагностически значимых изменений. Корреляционный анализ не выявил значимой связи между уровнями экспрессии метаболических маркеров и данными МРТ (p>0.05), что подчеркивает сложность неинвазивной оценки метаболических процессов. ОКТ продемонстрировала высокую диагностическую ценность в оценке состояния миелиновых волокон. Установлена сильная корреляционная связь между значениями коэффициента затухания и степенью деструкции белого вещества (p<0,000001). Значения коэффициента затухания постепенно снижались от образцов неповрежденного белого вещества к образцам со слабой и выраженной деструкцией. В рамках работы проводится разработка специализированного программного обеспечения для анализа ОКТ-изображений. Показано, что автоматический расчет одновременно коэффициента оптического затухания (OAC) и speckle-контраста (RSC) существенно повышает точность дифференциальной диагностики между нормальным и поврежденным белым веществом, а также опухолевой тканью. Анализ данных МРТ выявил статистически значимые различия значений ФА между центральной частью опухоли, перитуморальной зоной и интактным белым веществом. При этом обнаружена интересная закономерность: в перитуморальной зоне астцроитомы (grade 4) демонстрировали более высокие значения ФА по сравнению с астцроитомами (grade 3) (p<0.05). Аналогичные различия наблюдались между опухолями c наличием мутации IDH и без нее (p=0,04). Полученные данные позволяют предположить, что изменения ФА в перитуморальной зоне отражают не только степень деструкции белого вещества, но и характер опухолевой инфильтрации. Предварительный анализ получаемых данных свидетельствует о глубоких нарушениях энергетического обмена не только в опухолевой ткани, но и в перитуморальной зоне, что может объяснять высокую частоту рецидивов и требует разработки новых подходов к определению границ опухолевого поражения. Выявленные молекулярно-метаболические различия между опухолями в зависимости от наличия мутации IDH имеют важное значение для персонализированного подхода к диагностике и лечению глиом. Отсутствие корреляции между иммуногистохимическими и МРТ-параметрами указывает на необходимость совершенствования методов in vivo оценки метаболизма опухолей головного мозга. Комбинированное применение ОКТ и диффузионно-тензорной МРТ с разработанными алгоритмами анализа предоставляет ценную информацию о структурных изменениях белого вещества в перитуморальной зоне, что имеет важное значение для интраоперационного определения границ опухолевого поражения и планирования хирургического вмешательства. Основные результаты Гранта за 2024-2025 год были представлены и обсуждены исполнителями Гранта на 1-ой международной и 10-и российских конференциях (всего 12 докладов). По результатам Гранта за отчетный год опубликовано 3 статьи WoS (Q1, Q2, Q3); принято к печати 2 статьи WoS (Q3 и Q4); 1 статья WoS (Q1) находится на рецензии.

Публикации

1. Яшин К.С., Киселева Е.Б., Ачкасова К.А., Сачкова Д.С., Гришин А.С., Ширманова М.В., Щеславский В.И., Гладкова Н.Д. Применение методов оптического биоимиджинга в хирургии опухолей головного мозга Материалы "Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ»" (год публикации - 2024)

2. Комарова А.Д., Яшин К.С., Киселева Е.Б., Можеров А.М., Щеславский В.И., Ширманова М.В. Флуоресцентная время-разрешенная микроскопия FLIM глиом пациентов Сборник тезисов X Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и студентов с международным участием «ВолгаМед», с. 53-5 (год публикации - 2024)

3. Щеславский В.И., Ширманова М.В., Яшин К.С., Рюк А.С., Скала М.К., Беккер В. Fluorescence Lifetime Imaging Techniques—A Review on Principles, Applications and Clinical Relevance Journal of Biophotonics, 0:e202400450 (год публикации - 2025)
10.1002/jbio.202400450

4. Яшин К.С., Щеславский В.И., Медяник И.А., Кравец Л.Я., Ширманова М.В. Towards Optical Biopsy in Glioma Surgery International Journal of Molecular Sciences, 26(10), 4554 (год публикации - 2025)
10.3390/ijms26104554

5. Советский А.А., Яшин К.С., Зинатуллин Р.Д., Матвеев А.Л., Зайцев В.Ю., Матвеев Л.А. OCT-based in vivo automatic brain tissue malignancy detection using optical attenuation coefficient and refined speckle contrast: preliminary results Laser Physics Letters, 22, 065601 (год публикации - 2025)
10.1088/1612-202X/addb28

6. Клюев Е.А., Сухова М.Б., Растеряева М.В., Гришин А.С., Кухнина Л.С., Зинатуллин Р.Д., Остапюк М.В., Медяник И.А, Яшин К.С. МР-перфузия и амидный протонный трансфер в диагностике диффузных глиом Сборник тезисов XVI международного конгресса «Невский радиологический форум», с. 28-29 (год публикации - 2025)

7. Гришин А.С. Иммуногистохимическая оценка метаболических параметров ткани глиомы и её перитуморальной области Материалы XIII научно-практической конференции с международным участием «ПУТЬ В НАУКУ», с. 58-59 (год публикации - 2024)

8. Яшин К.С., Киселева Е.Б., Ачкасова К.А., Сачкова Д.С., Гришин А.С., Ширманова М.В., Щеславский В.И., Гладкова Н.Д. Применение методов оптического биоимиджинга в хирургии опухолей головного мозга Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции с международным участием по нейробиологии и биофотонике, с. 49 (год публикации - 2024)

9. Сачкова Д.А. Макроскопический автофлуоресцентный имиджинг тканей головного мозга пациентов с глиомами ex vivo как потенциальный метод для интраоперационой диагностики границ резекции Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2024» (год публикации - 2024)

10. Яшин К.С., Сачкова Д.А., Гришин А.С., Медяник И.А., Щеславский В.И., Ширманова М.В. Интраоперационное определение подтипа астроцитом высокой степени злокачественности методом флуоресцентного имиджинга с временным разрешением (FLIM) Злокачественные опухоли. Тезисы постерных докладов и принятые к публикации., 14(3s1): 187 (год публикации - 2024)

11. Клюев Е.А., Яшин К.С.,Сухова М.Б.,Шарова В.А. Первый опыт применения мр-методики амидного протонного трансфера в исследовании опухолей глиального ряда Научное издание. X съезд нейрохирургов россии: сборник тезисов: /под редакцией акад. РАН Усачева Д.Ю., акад. РАН Крылова В. В., проф. Кравца Л. Я., с. 179-180 (год публикации - 2024)

12. Сачкова Д.А., Киселева Е.Б., Бедерина Е.Л., Гришин А.С., Щеславский В.И., Кухнина Л.С., Ширманова М.В., Яшин К.С. Оценка автофлуоресцентных характеристик глиальных опухолей пациентов ex vivo методомFLIM-макроимиджинга для разработки подхода оптической биопсии глиом Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «ФЛУОРЕСЦЕНЦИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ», c. 67 (год публикации - 2024)

13. Ширманова М.В., Яшин К.С., Медяник И.А., Кравец Л.Я., Щеславский В.И. Интраоперационная диагностика глиом автофлуоресцентными методами Флуоресценция в нейрохирургии. Под редакцией акад. РАН Усачева Д.Ю. [Горяйнов С.А, Потапов А.А., Лощенов В.Б., Захарова Н.Е.] Легран Принт. Москва, с. 274-282 (год публикации - 2024)

14. Сачкова Д.А., Ширманова М.В., Киселева Е.Б., Южакова Д.В., Щеславский В.И., Яшин К.С. Оценка автофлуоресцентных характеристик глиальных опухолей пациентов ex vivo методом FLIM-макроимиджинга для разработки подхода оптической биопсии глиом Трансляционная медицина. Приложение 2, май., с. 134 (год публикации - 2024)