Кросс-поляризационная оптическая когерентная томография в сравнительном in vivo и ex vivo исследовании оптических свойств опухолевых и нормальных тканей головного мозга

Цель исследования — визуальная и количественная оценка изображений опухолевой и нормальной ткани головного мозга, полученных методом кросс-поляризационной оптической когерентной томографии (КП ОКТ), в сравнительном исследовании in vivo и ex vivo.

Материалы и методы. Исследование проведено с использованием не повреждающего оптического метода визуализации внутренней структуры тканей — КП ОКТ, позволяющего получать за короткое время (26 с) объемные изображения 2,4×2,4×1,25 мм в режиме реального времени. Объектом исследования являлись опухолевые и нормальные ткани головного мозга 12 экспериментальных крыс линии Wistar: 4 — интактные, 4 — с моделью злокачественной глиомы 101.8 и 4 — с моделью злокачественной глиомы С6. У интактных крыс проведено КП ОКТ-сканирование коры и белого вещества головного мозга, у крыс с опухолями — центральной части опухоли на поверхности коры сначала in vivo, а затем — в условиях ex vivo. Количественная обработка КП ОКТ-данных, полученных in vivo и ex vivo, заключалась в расчете коэффициентов затухания для каждого типа ткани.

Результаты. Качественный сравнительный анализ in vivo и ex vivo КП ОКТ-изображений нормальных тканей головного мозга и глиом показал, что КП ОКТ-изображения, полученные ex vivo, имеют более высокую интенсивность и скорость затухания как в исходной, так и в ортогональной поляризации по сравнению с изображениями, полученными in vivo. Количественный анализ КП ОКТ-изображений выявил статистически значимые отличия (р<0,02) между значениями коэффициента затухания от обеих опухолей и белого вещества при исследовании in vivo (5,5 [4,8; 5,8] мм^–1 — для глиомы 101.8; 3,2 [2,4; 4,3] мм^–1 — для глиомы С6; 7,5 [7,0; 8,0] мм^–1 — для белого вещества в норме), по сравнению с ex vivo исследованием (7,0 [5,9; 8,1] мм^–1 — для глиомы 101.8; 6,8 [6,2; 7,9] мм^–1 — для глиомы С6; 9,0 [8,4; 9,5] мм^–1 — для белого вещества в норме). Для коры головного мозга статистически значимой разницы в этом случае не получено (5,8 [4,9; 6,6] мм^–1 против 6,3 [5,5; 7,1] мм^–1; р=0,34). Сравнение коэффициентов затухания между корой и белым веществом головного мозга в норме, а также белого вещества в норме и злокачественных глиом показало статистически значимые различия как при исследовании in vivo, так и при ex vivo исследовании.

Заключение. Результаты качественного сравнительного анализа оптических свойств нормальной и опухолевой ткани головного мозга при исследовании методом КП ОКТ позволяют заключить, что визуально в процессе оценки структура КП ОКТ-изображений, полученных от тканей ex vivo,сохраняется приприжизненном изучении этих же типов тканей. Результаты количественной оценки КП ОКТ-сигнала подтвердилизначительную разницу коэффициента затухания (р<0,005) между опухолевой тканью и белым веществом головного мозга в норме, которая наблюдается как при исследовании ex vivo, так и в условиях in vivo. Однако при прижизненной оценке оптических коэффициентов тканей необходимо учитывать существующие различия в оптических свойствах тканей ex vivo и in vivo.

1. Potapov A.A., Goryaynov S.A., Okhlopkov V.A., Pitskhelauri D.I., Kobyakov G.L., Zhukov V.Y., Gol’bin D.A., Svistov D.V., Martynov B.V., Krivoshapkin A.L., Gaytan A.S., Anokhina Y.E., Varyukhina M.D., Gol’dberg M.F., Kondrashov A.V., Chumakova A.P. Clinical guidelines for the use of intraoperative fluorescence diagnosis in brain tumor surgery. Zh Vopr Neirokhir Im N N Burdenko 2015; 79(5): 91–101, https://doi.org/10.17116/neiro201579591-101.
2. Selbekk T., Jakola A.S., Solheim O., Johansen T.F., Lindseth F., Reinertsen I., Unsgard G. Ultrasound imaging in neurosurgery: approaches to minimize surgically induced image artefacts for improved resection control. Acta Neurochir (Wien) 2013; 155(6): 973–980, https://doi.org/10.1007/s00701-013-1647-7.
3. Сёмин П.А., Кривошапкин А.Л., Мелиди Е.Г., Каны­гин В.В. Безрамочная нейронавигация в хирургии объемных образований головного мозга. Нейрохирургия 2004; 2: 20–24.
4. Fahlbusch R., Samii A. Editorial: Intraoperative MRI. Neurosurg Focus 2016; 40(3): E3, https://doi.org/10.3171/2015.12.focus15631.
5. Almeida J.P., Chaichana K.L., Rincon-Torroella J., Quinones-Hinojosa A. The value of extent of resection of glioblastomas: clinical evidence and current approach. Curr Neurol Neurosci Rep 2014; 15(2): 517, https://doi.org/10.1007/s11910-014-0517-x.
6. Díez Valle R., Tejada Solis S., Idoate Gastearena M.A., García de Eulate R., Domínguez Echávarri P., Aristu Mendiroz J. Surgery guided by 5-aminolevulinic fluorescence in glioblastoma: volumetric analysis of extent of resection in single-center experience. J Neurooncol 2011; 102(1): 105–113, https://doi.org/10.1007/s11060-010-0296-4.
7. Sanai N., Berger M.S. Extent of resection influences outcomes for patients with gliomas. Rev Neurol (Paris) 2011; 167(10): 648–654, https://doi.org/10.1016/j.neurol.2011.07.004.
8. Stummer W., Pichlmeier U., Meinel T., Wiestler O.D., Zanella F., Reulen H.J. Fluorescence-guided surgery with 5-aminolevulinic acid for resection of malignant glioma: a randomised controlled multicentre phase III trial. Lancet Oncol 2006; 7(5): 392–401, https://doi.org/10.1016/s1470-2045(06)70665-9.
9. Vasefi F., MacKinnon N., Farkas D.L., Kateb B. Review of the potential of optical technologies for cancer diagnosis in neurosurgery: a step toward intraoperative neurophotonics. Neurophotonics 2016; 4(1): 011010, https://doi.org/10.1117/1.nph.4.1.011010.
10. Yashin K.S., Kravets L.Y., Gladkova N.D., Gelikonov G.V., Medyanik I.A., Karabut M.M., Kiseleva E.B., Shilyagin P.A. Optical coherence tomography in neurosurgery. Zh Vopr Neirokhir Im N N Burdenko 2017; 81(3): 107–115, https://doi.org/10.17116/neiro2017813107-115.
11. Kantelhardt S.R., Kalasauskas D., König K., Kim E., Weinigel M., Uchugonova A., Giese A. In vivo multiphoton tomography and fluorescence lifetime imaging of human brain tumor tissue. J Neurooncol 2016; 127(3): 473–482, https://doi.org/10.1007/s11060-016-2062-8.
12. Böhringer H.J., Lankenau E., Stellmacher F., Reusche E., Hüttmann G., Giese A. Imaging of human brain tumor tissue by near-infrared laser coherence tomography. Acta Neurochir (Wien) 2009; 151(5): 507–517, https://doi.org/10.1007/s00701-009-0248-y.
13. Herrero-Garibi J., Cruz-Gonzalez I., Parejo-Diaz P., Jang I.K. Optical coherence tomography: its value in intravascular diagnosis today. Rev Esp Cardiol 2010; 63(8): 951–962, https://doi.org/10.1016/s1885-5857(10)70189-4.
14. Mathews M.S., Su J., Heidari E., Levy E.I., Linskey M.E., Chen Z. Neuroendovascular optical coherence tomography imaging and histological analysis. Neurosurgery 2011; 69(2): 430–439, https://doi.org/10.1227/neu.0b013e318212bcb4.
15. Lankenau E.M., Krug M., Oelckers S., Schrage N., Just T., Hüttmann G. iOCT with surgical microscopes: a new imaging during microsurgery. Advanced Optical Technologies 2013; 2(3), https://doi.org/10.1515/aot-2013-0011.
16. Zagaynova E., Gladkova N., Shakhova N., Gelikonov G., Gelikonov V. Endoscopic OCT with forward-looking probe: clinical studies in urology and gastroenterology. J Biophotonics 2008; 1(2): 114–128, https://doi.org/10.1002/jbio.200710017.
17. Sun C., Lee K.K., Vuong B., Cusimano M.D., Brukson A., Mauro A., Munce N., Courtney B.K., Standish B.A., Yang V.X. Intraoperative handheld optical coherence tomography forward-viewing probe: physical performance and preliminary animal imaging. Biomed Opt Express 2012; 3(6): 1404–1412, https://doi.org/10.1364/boe.3.001404.
18. Kut C., Chaichana K.L., Xi J., Raza S.M., Ye X., McVeigh E.R., Rodriguez F.J., Quinones-Hinojosa A., Li X. Detection of human brain cancer infiltration ex vivo and in vivo using quantitative optical coherence tomography. Sci Transl Med 2015; 7(292): 292ra100, https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3010611.
19. Böhringer H.J., Boller D., Leppert J., Knopp U., Lankenau E., Reusche E., Hüttmann G., Giese A. Time-domain and spectral-domain optical coherence tomography in the analysis of brain tumor tissue. Lasers Surg Med 2006; 38(6): 588–597, https://doi.org/10.1002/lsm.20353.
20. Bizheva K., Unterhuber A., Hermann B., Povazay B., Sattmann H., Fercher A.F., Drexler W., Preusser M., Budka H., Stingl A., Le T. Imaging ex vivo healthy and pathological human brain tissue with ultra-high-resolution optical coherence tomography. J Biomed Opt 2005; 10(1): 11006, https://doi.org/10.1117/1.1851513.
21. Boppart S.A., Brezinski M.E., Pitris C., Fujimoto J.G. Optical coherence tomography for neurosurgical imaging of human intracortical melanoma. Neurosurgery 1998; 43(4): 834–841, https://doi.org/10.1097/00006123-199810000-00068.
22. Yuan W., Kut C., Liang W., Li X. Robust and fast characterization of OCT-based optical attenuation using a novel frequency-domain algorithm for brain cancer detection. Sci Rep 2017; 7: 44909, https://doi.org/10.1038/srep44909.
23. Gubarkova E.V., Kirillin M.Y., Dudenkova V.V., Timashev P.S., Kotova S.L., Kiseleva E.B., Timofeeva L.B., Belkova G.V., Solovieva A.B., Moiseev A.A., Gelikonov G.V., Fiks I.I., Feldchtein F.I., Gladkova N.D. Quantitative evaluation of atherosclerotic plaques using cross-polarization optical coherence tomography, nonlinear, and atomic force microscopy. J Biomed Opt 2016; 21(12): 126010, https://doi.org/10.1117/1.jbo.21.12.126010.
24. 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.
25. Yashin К.S., Karabut M.M., Fedoseeva V.V., Khalansky A.S., Matveev L.A., Elagin V.V., Kuznetsov S.S., Kiseleva E.B., Kravets L.Y., Medyanik I.А., Gladkova N.D. Multimodal optical coherence tomography in visualization of brain tissue structure at glioblastoma (experimental study). Sovremennye tehnologii v medicine 2016; 8(1): 73–81, https://doi.org/10.17691/stm2016.8.1.10.
26. Yashin К.S., Gubarkova E., Kiseleva E., Kuznetsov S.S., Karabut M.M., Medyanik I.А., Kravets L.Y., Gladkova N.D. Ex vivo imaging of human gliomas by cross-polarization optical coherence tomography: pilot study. Sovremennye tehnologii v medicine 2016; 8(3): 14–22, https://doi.org/10.17691/stm2016.8.4.02.
27. Халанский А.С., Кондакова Л.И., Гельперина С.Э. Пере­виваемый штамм глиомы крысы 101.8. II. Ис­поль­зо­вание в качестве модели для экспериментальной терапии опухолей мозга. Клиническая и экспериментальная морфо­логия 2014; 1(9): 50–59.
28. Gelikonov V.M., Gelikonov G.V. New approach to cross-polarized optical coherence tomography based on orthogonal arbitrarily polarized modes. Laser Physics Letters 2006; 3(9): 445–451, https://doi.org/10.1002/lapl.200610030.
29. Matveev L.A., Zaitsev V.Y., Gelikonov G.V., Matveyev A.L., Moiseev A.A., Ksenofontov S.Y., Gelikonov V.M., Sirotkina M.A., Gladkova N.D., Demidov V., Vitkin A. Hybrid M-mode-like OCT imaging of three-dimensional microvasculature in vivo using reference-free processing of complex valued B-scans. Opt Lett 2015; 40(7): 1472–1475, https://doi.org/10.1364/ol.40.001472.
30. Rodriguez C.L., Szu J.I., Eberle M.M., Wang Y., Hsu M.S., Binder D.K., Park B.H. Decreased light attenuation in cerebral cortex during cerebral edema detected using optical coherence tomography. Neurophotonics 2014; 1(2): 025004, https://doi.org/10.1117/1.nph.1.2.025004.
    .

Kiseleva E.B., Yashin K.S., Moiseev A.A., Sirotkina M.A., Timofeeva L.B., Fedoseeva V.V., Alekseeva A.I., Medyanik I.A., Karyakin N.N., Kravets L.Ya., Gladkova N.D. Cross-Polarization Optical Coherence Tomography in Comparative in vivo and ex vivo Studies of the Optical Properties of Normal and Tumorous Brain Tissues. Sovremennye tehnologii v medicine 2017; 9(4): 177, https://doi.org/10.17691/stm2017.9.4.22