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

Публикации

1. Сачкова Д.А., Киселева Е.Б., Золотова А.С., Бедерина Е.Л., Южакова Д.В., Щеславский В.И., Ширманова М.В., Яшин К.С. Исследование параметров автофлуоресценции тканей головного мозга методом FLIM для разработки нового подхода к интраоперационной диагностике глиом Успехи молекулярной онкологии, Том 10. № 4. С.137 (год публикации - 2023)

2. Гришин А.С., Ачкасова К.А., Кухнина Л.С., Шарова В.А., Остапюк М.В., Яшин К.С. Peritumoral Brain Zone in Astrocytoma: Morphology, Molecular Aspects, and Clinical Manifestations (Review) Sovremennye tehnologii v medicine, 2024; 16(2): 79-89 (год публикации - 2024)
10.17691/stm2024.16.2.08

3. 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)

4. 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)

5. 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

6. 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

7. 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 (год публикации - 2025)

8. 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)

9. 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)

10. 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)

11. 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)

12. 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)

13. 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)

14. 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)

15. 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)

16. 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)

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