Микроспектроскопия комбинационного рассеяния в диагностике злокачественных новообразований кожи

Онкологические заболевания кожи в настоящее время широко распространены. При этом отдельного внимания заслуживает немеланомный рак кожи, который является одним из наиболее часто встречающихся [1—4]. При исследовании статистических особенностей заболеваемости различными видами опухолей отмечено, что одной из ведущих типов локализации новообразований в общей их структуре была кожа (исключая меланому), что составило 13,6% [4]. Что касается меланомы кожи, то она занимает 17-е место по распространенности в мире, а базальноклеточная карцинома кожи (БКК) является часто диагностируемым раком кожи во всем мире, в то время как плоскоклеточная карцинома является более агрессивной формой немеланомного рака кожи, вызывающей больше случаев смерти [5]. Плоскоклеточная карцинома кожи (ПКК) относится ко второму наиболее распространенному виду опухоли кожи среди немеланомных опухолей [2]. Распространенность и заболеваемость злокачественными новообразованиями кожи неуклонно растут [1, 3, 4, 6]. В плане качества жизни, включая эстетическую составляющую, важно рассмотреть опухоли головы и шеи. Часто пациенты обращаются к врачу на той стадии заболевания, на которой приходится применять инвазивные и сложные методы лечения, дорогостоящие и экономически невыгодные [7]. В частности, после хирургического лечения по поводу опухолей головы и шеи необходимо выполнять реконструктивно-пластические операции, которые нередко не оправдывают ожиданий пациента. Существующие методы диагностики позволяют уставить точный диагноз, однако они могут занимать длительное время и требовать специальной пробоподготовки и обучения врача. Так, на сегодняшний день для точной идентификации опухолевого процесса используется гистологический метод. Однако в онкологии описано применение и других методов диагностики, в том числе оптических, у каждого из которых имеются свои преимущества и недостатки [8—20]. Так, например, дерматоскопия, несомненно, является высокоинформативным методом диагностики в практике клинициста, однако существуют некоторые особенности при его использовании на практике [21]. В связи с изложенным мы обратили внимание на такие технологии, которые можно отнести к точным, обладающим высоким уровнем чувствительности и специфичности, быстрым, при этом не требующим дополнительных ресурсов. К подобным методам можно отнести конфокальную микроспектроскопию комбинационного рассеяния. Совершенствование подходов ранней диагностики с использованием метода микроспектроскопии комбинационного рассеяния должно быть основано на разработке специальных алгоритмов. В диагностике рака кожи использование оптической идентификации тканей как in vivo, так и in vitro позволяет не только определить границы резекции ткани опухоли, но и оценить в режиме реального времени процессы, происходящие в тканях на уровне биомолекул.

Цель исследования — оценить возможности использования метода конфокальной микроспектроскопии комбинационного рассеяния для дифференциации интактной кожи и злокачественных новообразований кожи.

В ходе исследования изучены образцы тканей ПКК и БКК, а также интактной ткани кожи непосредственно после проведения операции в специализированном отделении опухолей головы и шеи на базах университетских клиник ФГБОУ ВО «Российский университет медицины» Минздрава России и ФГАОУ ВО «Российский университет дружбы народов имени Патриса Лумумбы» Минобрнауки России в период с 2021 по 2024 г.

Проведение исследования одобрено межвузовским этическим комитетом (выписка из протокола №3 заседания межвузовского комитета по этике от 16.03.2023).

В ходе исследования проведен анализ спектров интактной кожи (ИК), БКК и ПКК кожи области головы и шеи (n=120, n=160, n=140 соответственно). Расчет выборки, чувствительность и специфичность метода рассчитывали по общепринятым формулам. Полученные данные были сопоставимы по полу и возрасту. Наиболее частой локализацией БКК и ПКК были крыло (15%), кончик (16%) и скат носа (19%), кожа ушной раковины (16%) и наружного слухового прохода (4%), кожа области щек и лба (30%). Заболевание в каждом случае регистрировалось на стадии T1N0M0 и подтверждалось данными гистологического исследования. Диагностика, лечение, диспансерное наблюдение, мониторинг реабилитации пациентов проводились согласно действующим клиническим рекомендациям, стандартам и порядкам оказания медицинской помощи Министерства здравоохранения Российской Федерации. Спектры измерялись с помощью конфокального микроскопа-спектрометра Confotec MR520 (SOL Instruments, Республика Беларусь) при возбуждении лазером 532 нм (мощность лазера 20 мВт, время накопления 2 с) с использованием 40-кратного объектива MPlanFL (Nikon Corporation, Япония). Согласно параметрам, предоставленным производителями, поперечное и продольное оптическое разрешение для используемого оборудования составляло <1 мкм и <10 мкм соответственно. Спектральное разрешение находилось в диапазоне от 1 до 1,5 см^–1. Измерение спектров проводилось в области тканей интактной кожи, БКК и ПКК непосредственно после их удаления. Вклад сигнала флуоресценции был вычтен из исходных спектров на основе алгоритма Ванкувера. Далее спектры были сглажены методом Савицкого—Голея. После этого спектры комбинационного рассеяния с вычтенным сигналом флуоресценции нормировались на интенсивность полосы 1442 см^–1, которая была наиболее стабильной. Измерения проводили до воспроизводимости результатов при комнатной температуре в равных условиях. Все наборы данных разделены на три класса: БКК, нормальная кожа и ПКК. Полученные спектры предварительно обработаны с использованием MATLAB (R2022b, MathWorks, Natick, США). В ходе спектрального анализа рассматривались диапазоны волновых чисел от 900 до 1800 см^–1 и от 2800 до 3100 см^–1.

В ходе проведенного исследования получены спектры комбинационного рассеяния БКК, ПКК, интактной кожи вокруг опухоли in vitro при длине волны возбуждающего излучения 532 нм в диапазонах от 900 до 1900 см^–1 и от 2800 до 3100 см^–1.

На рис. 1 на цв. вклейке показан диапазон величин волновых чисел от 900 до 1900 см^–1, также продемонстрированы спектры при вышеупомянутых нозологиях в диапазоне высоких волновых чисел от 2800 до 3100 см^–1. Спектральные кривые, изображенные на рис. 1 на цв. вклейке, представляют собой совокупность всех спектров, полученных в ходе исследования.

Рис. 1. Спектры при длине волны возбуждающего излучения 532 нм (в диапазоне от 900 до 1900 см–1) базальноклеточной карциномы, плоскоклеточной карциномы и интактной ткани кожи.

Здесь и на рис. 2: синим цветом отмечены спектры базальноклеточной карциномы, сиреневым — плоскоклеточной карциномы кожи, салатовым — интактной ткани кожи.

На рис. 2 на цв. вклейке изображены все спектры БКК, ПКК и интактной кожи после обработки данных с использованием методов Савицкого—Голея и алгоритма Ванкувера в диапазоне высоких волновых чисел.

Рис. 2. Спектры при длине волны возбуждающего излучения 532 нм (в диапазоне 2800 до 3100 см–1) базальноклеточной карциномы, плоскоклеточной карциномы и интактной ткани кожи.

После обработки всех спектров в результате проведенного исследования выделены наиболее информативные величины волновых чисел, которые могут быть использованы для дифференциации ПКК, БКК и интактной кожи, они продемонстрированы на рис. 1 на цв. вклейке: 938, 1004, 1062, 1082, 1125, 1175, 1208, 1248, 1266, 1302, 1316, 1336, 1393, 1445, 1555, 1585, 1604, 1654, 1745 см^-1.

На рис. 2 на цв. вклейке представлены спектры интактной ткани кожи и новообразований (ПКК и БКК кожи в области головы и шеи) в диапазоне высоких волновых чисел от 2800 до 3100 см^–1. Спектры продемонстрированы после обработки. Наиболее информативными полосами для проведения дифференциальной диагностики в данном случае были 2853, 2880, 2930, 3011, 3040, 3064 см^–1. Данные о линиях комбинационного рассеяния света являются информативными в проведении дифференциальной диагностики БКК и ПКК. При сравнении спектров плоскоклеточной карциномы кожи, базальноклеточной карциномы кожи и интактной кожи мы рассчитали чувствительность и специфичность метода, они составили 100% и 84% соответственно, что является показателем возможности проведения дифференциальной диагностики между указанными классами тканей. При определении молекулярного состава тканей в норме и при патологии с использованием микроспектроскопии комбинационного рассеяния представляется возможным идентифицировать биомаркеры опухолей и проводить их дифференциальную диагностику.

Результаты, полученные в ходе исследования, продемонстрировали возможность использования конфокальной микроспектроскопии комбинационного рассеяния в дифференциальной диагностике злокачественных новообразований кожи в области головы и шеи, а также в идентификации интактной ткани и ткани, вовлеченной в патологический процесс при злокачественном росте в случае развития плоскоклеточной карциномы и базальноклеточной карциномы кожи. Описанный метод в перспективе может быть использован для проведения оптической биопсии, определения границ резекции опухоли и ранней диагностики новообразований кожи, что позволит своевременно направить пациента на лечение и, как следствие, повысить качество его жизни.

Финансирование. Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда, проект №23-25-00249.

Funding. This research was funded by Russian Science Foundation, grant No. 23-25-00249.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.