Комплементарное исследование состояния коллагена при заболеваниях мочевого пузыря методами кросс-поляризационной оптической когерентной томографии, нелинейной и атомно-силовой микроскопии

Е.Б. Киселева, Е.В. Губарькова, В.В. Дуденкова, П.С. Тимашев, С.Л. Котова, Л.Б. Тимофеева, М.Ю. Кириллин, Г.В. Белкова, A.Б. Соловьева, О.С. Стрельцова, Н.Д. Гладкова

Ключевые слова: кросс-поляризационная оптическая когерентная томография; КП ОКТ; уротелиальный рак; рецидив уротелиального рака; состояние коллагена; нелинейная микроскопия; генерация второй гармоники; атомно-силовая микроскопия.

2017, том 9, номер 1, стр. 7.

DOI: https://doi.org/10.17691/stm2017.9.1.01

Полный текст статьи

html pdf

2582

2006

Аннотация
Список литературы
Как цитировать в References

Цель исследования — демонстрация потенциала кросс-поляризационной оптической когерентной томографии (КП ОКТ) как минимально инвазивного метода, работающего в режиме реального времени, для диагностики рака мочевого пузыря на фоне выраженного воспаления.

Материалы и методы. Для верификации диагностических данных, полученных с помощью КП ОКТ, проводили их сравнение и вычисляли корреляцию с количественной оценкой состояния коллагена методами высокоразрешающей микроскопии. КП ОКТ-исследование выполнено на образцах ткани, полученных в ходе операции цистэктомии с деривацией мочи в кишечный резервуар по поводу мышечно-инвазивной формы уротелиального рака T_2–3N_0–хM₀(G2, 3) от 18 пациентов в возрасте от 50 до 64 лет. Всего было выбрано 60 зон интереса, которые по результатам гистологической оценки разделены на четыре группы: со слабо выраженным воспалением (1-я группа — контрольная) — 12 зон; с выраженным воспалением (2-я группа) — 18 зон; с низкодифференцированным уротелиальным раком с инвазией в мышечную оболочку (3-я группа) — 24 зоны; с рецидивом рака на послеоперационном рубце (4-я группа) — 6 зон. Методами высокоразрешающей микроскопии (нелинейная микроскопия и атомно-силовая микроскопия) детализировали тканевые изменения на микроструктурном уровне, которые фиксирует метод КП ОКТ. Для объективизации полученных данных и возможности их сопоставления использована количественная обработка всех видов изображений.

Результаты. С помощью двух высокоразрешающих методов и классической гистологии показаны особенности пространственной и структурной организации внеклеточного матрикса мочевого пузыря при разных патологиях. Карты фактора деполяризации, построенные по КП ОКТ-изображениям инвазивного рака и рецидива рака в области послеоперационного рубца, отражают кросс-рассеивающие свойства соединительной ткани мочевого пузыря при этих состояниях и демонстрируют статистически значимое различие уровня интегрального фактора деполяризации при карциноме с его значением при выраженном хроническом воспалении (р<0,05). Показана высокая статистически значимая положительная корреляция между измерениями интегрального фактора деполяризации и параметром согласованности распределения сигнала генерации второй гармоники от коллагена на уровне слизистой оболочки (r=0,867; p<0,001; корреляция Спирмена). Это указывает на высокую степень соответствия между способностью к кросс-рассеянию и согласованностью укладки волокон коллагена. При выраженном воспалении, инвазивном росте уротелиального рака и рецидиве рака в области послеоперационного рубца выявлена структурная дезорганизация волокнистых структур на тканевом уровне в подповерхностной области мочевого пузыря.

Заключение. Сравнение КП ОКТ-изображений с данными методов высокого разрешения (нелинейной микроскопии в режиме генерации второй гармоники и атомно-силовой микроскопии) показало, что КП ОКТ может стать мощным минимально инвазивным инструментом, работающим в режиме реального времени, для диагностики рака мочевого пузыря на фоне выраженного воспаления и в области послеоперационного рубца. Представленные результаты могут стимулировать дальнейшее развитие КП ОКТ-техники и способствовать ее активному внедрению в клиническую практику.

Leggett C.L., Gorospe E.C. Application of confocal laser endomicroscopy in the diagnosis and management of Barrett’s esophagus. Ann Gastroenterol 2014; 27(3): 193–199.
Wessels R., De Bruin D.M., Faber D.J., Van Leeuwen T.G., Van Beurden M., Ruers T.J. Optical biopsy of epithelial cancers by optical coherence tomography (OCT). Lasers Med Sci 2014; 29(3): 1297–1305, https://doi.org/10.1007/s10103-013-1291-8.
Zhou C., Tsai T.H., Lee H.C., Kirtane T., Figueiredo M., Tao Y.K., Ahsen O.O., Adler D.C., Schmitt J.M., Huang Q., Fujimoto J.G., Mashimo H. Characterization of buried glands before and after radiofrequency ablation by using 3-dimensional optical coherence tomography (with videos). Gastrointest Endosc 2012; 76(1): 32–40, https://doi.org/10.1016/j.gie.2012.02.003.
Pande P., Shrestha S., Park J., Gimenez-Conti I., Brandon J., Applegate B.E., Jo J.A. Automated analysis of multimodal fluorescence lifetime imaging and optical coherence tomography data for the diagnosis of oral cancer in the hamster cheek pouch model. Biomed Opt Express 2016; 7(5): 2000–2015, https://doi.org/10.1364/boe.7.002000.
Ren H., Yuan Z., Waltzer W., Shroyer K., Pan Y. Enhancing detection of bladder carcinoma in situ by 3-dimensional optical coherence tomography. J Urol 2010; 184(4): 1499–1506, https://doi.org/10.1016/j.juro.2010.05.087.
Hale N.E., Deem S. Advances in cystoscopic surveillance of superficial bladder cancer: detection of the invisible tumor. Medical Instrumentation 2013; 1(1): 6, https://doi.org/10.7243/2052-6962-1-6.
Burns J.A., Kim K.H., deBoer J.F., Anderson R.R., Zeitels S.M. Polarization-sensitive optical coherence tomography imaging of benign and malignant laryngeal lesions: an in vivo study. Otolaryngol Head Neck Surg 2011; 145(1): 91–99, https://doi.org/10.1177/0194599811403078.
Villiger M., Lorenser D., McLaughlin R.A., Quirk B.C., Kirk R.W., Bouma B.E., Sampson D.D. Deep tissue volume imaging of birefringence through fibre-optic needle probes for the delineation of breast tumour. Sci Rep 2016; 6: 28771, https://doi.org/10.1038/srep28771.
Gladkova N., Kiseleva E., Streltsova O., Prodanets N., Snopova L., Karabut M., Gubarkova E., Zagaynova E. Combined use of fluorescence cystoscopy and cross-polarization OCT for diagnosis of bladder cancer and correlation with immunohistochemical markers. J Biophotonics 2013; 6(9): 687–698, https://doi.org/10.1002/jbio.201200105.
Bredfeldt J.S., Liu Y., Pehlke C.A., Conklin M.W., Szulczewski J.M., Inman D.R., Keely P.J., Nowak R.D., Mackie T.R., Eliceiri K.W. Computational segmentation of collagen fibers from second-harmonic generation images of breast cancer. J Biomed Opt 2014; 19(1): 016007, https://doi.org/10.1117/1.jbo.19.1.016007.
König K., Raphael A.P., Lin L., Grice J.E., Soyer H.P., Breunig H.G., Roberts M.S., Prow T.W. Applications of multiphoton tomographs and femtosecond laser nanoprocessing microscopes in drug delivery research. Adv Drug Deliv Rev 2011; 63(4–5): 388–404, https://doi.org/10.1016/j.addr.2011.03.002.
Cicchi R., Kapsokalyvas D., Troiano M., Campolmi P., Morini C., Massi D., Cannarozzo G., Lotti T., Pavone F.S. In vivo non-invasive monitoring of collagen remodelling by two-photon microscopy after micro-ablative fractional laser resurfacing. J Biophotonics 2014; 7(11–12): 914–925, https://doi.org/10.1002/jbio.201300124.
Cicchi R., Matthäus C., Meyer T., Lattermann A., Dietzek B., Brehm B.R., Popp J., Pavone F.S. Characterization of collagen and cholesterol deposition in atherosclerotic arterial tissue using non-linear microscopy. J Biophotonics 2014; 7(1–2): 135–143, https://doi.org/10.1002/jbio.201300055.
Campagnola P. Second harmonic generation imaging microscopy: applications to diseases diagnostics. Anal Chem 2011; 83(9): 3224–3231, https://doi.org/10.1021/ac1032325.
Seidenari S., Arginelli F., Dunsby C., French P., König K., Magnoni C., Manfredini M., Talbot C., Ponti G. Multiphoton laser tomography and fluorescence lifetime imaging of basal cell carcinoma: morphologic features for non-invasive diagnostics. Exp Dermatol 2012; 21(11): 831–836, https://doi.org/10.1111/j.1600-0625.2012.01554.x.
Stolz M., Gottardi R., Raiteri R., Miot S., Martin I., Imer R., Staufer U., Raducanu A., Duggelin M., Baschong W., Daniels A.U., Friederich N.F., Aszodi A., Aebi U. Early detection of aging cartilage and osteoarthritis in mice and patient samples using atomic force microscopy. Nat Nanotechnol 2009; 4(3): 186–192, https://doi.org/10.1038/nnano.2008.410.
Lekka M., Laidler P., Gil D., Lekki J., Stachura Z., Hrynkiewicz A.Z. Elasticity of normal and cancerous human bladder cells studied by scanning force microscopy. Eur Biophys J 1999; 28(4): 312–316, https://doi.org/10.1007/s002490050213.
Timashev P.S., Kotova S.L., Belkova G.V., Gubar’kova E.V., Timofeeva L.B., Gladkova N.D., Solovieva A.B. Atomic force microscopy study of atherosclerosis progression in arterial walls. Microsc Microanal 2016; 22(2): 311–325, https://doi.org/10.1017/S1431927616000039.
Gelikonov V., Gelikonov G., Shilyagin P. Linear-wavenumber spectrometer for high-speed spectral-domain optical coherence tomography. Opt Spectrosc 2009; 106: 459–465, https://doi.org/10.1134/s0030400x09030242.
Gubarkova E.V., Dudenkova V.V., Feldchtein F.I., Timofeeva L.B., Kiseleva E.B., Kuznetsov S.S., Shakhov B.E., Moiseev A.A., Gelikonov V.M., Gelikonov G.V., Vitkin A., Gladkova N.D. Multi-modal optical imaging characterization of atherosclerotic plaques. J Biophotonics 2016; 9(10): 1009–1020, https://doi.org/10.1002/jbio.201500223.
Moiseev A.A., Gelikonov G.V., Terpelov D.A., Shilyagin P.A., Gelikonov V.M. Noniterative method of reconstruction optical coherence tomography images with improved lateral resolution in semitransparent media. Laser Physics Letters 2013; 10(12): 125601, https://doi.org/10.1088/1612-2011/10/12/125601.
Kiseleva E., Kirillin M., Feldchtein F., Vitkin A., Sergeeva E., Zagaynova E., Streltzova O., Shakhov B., Gubarkova E., Gladkova N. Differential diagnosis of human bladder mucosa pathologies in vivo with cross-polarization optical coherence tomography. Biomed Opt Express 2015; 6(4): 1464–1476, https://doi.org/10.1364/BOE.6.001464.
Gubarkova Е.V., Kirillin М.Yu., Sergeeva E.A., Kiseleva Е.B., Snopova L.B., Prodanets N.N., Sharabrin Е.G., Shakhov Е.B., Nemirova S.V., Gladkova N.D. Cross-polarization optical coherence tomography in evaluation of atherosclerotic plaque structure. Sovremennye tehnologii v medicine 2013; 5(4): 45–55.
Rezakhaniha R., Agianniotis A., Schrauwen J.T.C., Griffa A., Sage D., Bouten C.V.C., van de Vosse F.N., Unser M., Stergiopulos N. Experimental investigation of collagen waviness and orientation in the arterial adventitia using confocal laser scanning microscopy. Biomech Model Mechanobiol 2012; 11: 461, https://doi.org/10.1007/s10237-011-0325-z.
Rasband W.S. ImageJ, U. S. National Institutes of Health, Bethesda, Maryland, USA (1997–2008). Image J Image Processing and Analysis in Java. URL: http://rsb.info.nih.gov/ij/.
Mirsaidov U., Timashev S.F., Polyakov Y.S., Misurkin P.I., Musaev I., Polyakov S.V. Analytical method for parameterizing the random profile components of nanosurfaces imaged by atomic force microscopy. Analyst 2011; 136(3): 570–576, https://doi.org/10.1039/c0an00498g.

Kiseleva E.B., Gubarkova E.V., Dudenkova V.V., Timashev P.S., Kotova S.L., Timofeeva L.B., Kirillin М.Yu., Belkova G.V., Solov’eva A.B., Strel’tsova O.S., Gladkova N.D. Complementary Study of Collagen State in Bladder Diseases Using Cross-Polarization Optical Coherence Tomography, Nonlinear and Atomic Force Microscopy. Sovremennye tehnologii v medicine 2017; 9(1): 7, https://doi.org/10.17691/stm2017.9.1.01