Физика/4. Применение физических методов в медицине

Д. ф. м. н. Немкович Н.А.¹, Собчук А.Н.¹, Королик А.К.²

¹Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск

²Белорусский государственный медицинский университет, Минск

Диагностика раковых опухолей спектральными методами

Введение

В последнее время большое количество работ посвящено поиску экспрессных методов диагностики опухлевых тканей. Наиболее перспективным направлением в решении этой задачи в настоящий момент считается использование оптических методов [1-4]. Известно, что в тканях человека присутствуют биомолекулы, которые хорошо флуоресцируют в ультрафиолетовой, видимой и ближней ИК области длин волн. Эти биомолекулы (такие как триптофан, тирозин, NADH, FAD, липофусцины, коллаген и др.) непосредственно вовлечены в метаболические и функциональные процессы клеток. Характеристики собственной флуоресценции этих флуорофоров зависят от концентрации ионов, их распределения в тканях, свойств микроокружения и других факторов. Возникновение патологического процесса затрагивает гистологические и гистохимические особенности тканей, и поэтому приводит к изменениям в параметрах флуоресценции. Идентификация раковых опухолей может быть проведена также с помощью измерений спектров диффузно рассеянного света, форма которых зависит от плотности ткани, а она уменьшается при возникновении патологического процесса из-за разрушения ядер клеток. В настоящей работе мы использовали для диагностики опухолей несколько спектральных методов.

Объекты исследования и полученные результаты

С помощью флуоресцентной системы с регистрацией по методу время-коррелированного счета фотонов исследованы здоровые и опухлевые ткани крыс зараженных штаммом Са М1. Обнаружено, что длительность аутофлуоресценции раковых тканей на много короче, чем длительность аутофлуоресценции здоровых тканей.

На лазерном спектрофлуориметре [5] измерены мгновенные спектры аутофлуоресценции 5 образцов здоровых тканей щитовидной железы и 5 образцов раковых тканей щитовидной железы человека. Установлено, что в мгновенных спектрах здоровых тканей наблюдается уменьшение максимума интенсивности полосы флуоресценции расположенной в синей области длин волн в интервале 0 – 6 нс, а в мгновенных спектрах раковых тканей этот эффект отсутствует.

С помощью установки описанной в [4] проведена диагностика различных опухлевых тканей головного мозга человека с диагнозом: глиобластома (8 образцов), невринома (5 образцов), менингиома (7 образцов), аденома гипофиза (6 образцов), метастазы рака (6 образцов). Для сравнения были также измерены спектрально-флуоресцентные характеристики 2 образцов здоровой ткани мозга.

Исследования проводились на образцах опухлевых тканей, замороженных сразу после операции. Измерялись стационарные и мгновенные спектры аутофлуоресценции размороженных тканей при возбуждении азотным лазером, спектры их диффузно рассеянного света от излучения ксеноновой лампы и спектры электрического импеданса. После измерений образцы снова замораживались и хранились при температуре -70 °C. С помощью последующего гистопатологического анализа устанавливался диагноз опухлевой ткани.

Алгоритм классификации исследуемых образцов был построен на основе методов многомерного статистического анализа [6]. На первой стадии использовался факторный анализ, который позволяет описать измеренные спектры с помощью ограниченного числа основных компонент (факторов). Затем применялся дискриминантный анализ. Основой дискриминантного анализа является построение так называемых дискриминантных функций D.

D = b₁×Фактор1 + b₂×Фактор2+...+ b_k×Фактор k+а₀ (1)

Путем статистической обработки экспериментальных данных находились такие коэффициенты b_k и постоянная a₀, чтобы по значениям соответствующих дискриминантных функций можно было с максимальной вероятностью провести диагностику различных опухолей. При использовании описанного алгоритма диагностика опухлевых и здоровых тканей мозга проведена с точностью, практически, равной 100%.

Заключение

Получена, практически, 100% точность диагностики различных опухолей мозга человека при одновременном регистрации их спектров аутофлуоресценции, спектров диффузно рассеянного света и спектров электрического импеданса, а также последующей обработки полученных данных с помощью факторного и дискриминантного анализа.

Длительность аутофлуоресценции здоровых тканей крыс значительно длиннее, чем длительность аутофлуоресценции опухлевых тканей крыс зараженных штаммом.

В мгновенных спектрах аутофлуоресценции образцов здоровых тканей щитовидной железы человека наблюдается уменьшение с течением времени интенсивности полосы собственной флуоресценции расположенной в синей области длин волн, а для раковых опухолей этот эффект отсутствует.

Литература:

1. D.L. Heintzelman, U. Utzinger, H. Fuchs, et al., Photochem. Photobiol. 72 (2000) 103.

2. B.W. Chwirot, S. Chwirot, N. Sypniewska, et al., J. Invest. Dermatol. 117 (2001) 1449.

3. L. Lovat, S. Bown., Gastrointest Endosc. Clin. N Am. 14 (2004) 507.

4. G. Salomon, T. Hess, A.N. Sobchuk, et al., European Urology 55(2009)376.

5. С.Б. Бокуть, Н.А. Немкович, А.Н. Собчук и др., Биохимия, 66(2001)482.

6. Дж.О. Ким, Ч.У. Мюллер, У.Р. Клекка и др., Факторный, дискриминантный и кластерный анализ. М: Финансы и статистика, 1989, 215с.