Антон Андреевич Плеханов, кандидат математических наук, научный сотрудник научной лаборатории оптической когерентной томографии и научной лаборатории флуоресцентного биоимиджинга НИИ Экспериментальной онкологии и биомедицинских технологий Приволжского исследовательского медицинского университета
Злокачественные новообразования, или опухоли, – история отнюдь не самая веселая, финал ее чаще всего трагичен... О чем же она? Представим, что наш организм – это огромное, упорядоченное и организованное государство, где каждый орган и клетка следует в своей работе четко установленному порядку, выполняя необходимые функции. Но иногда, в свете каких-то причин (мы можем только предполагать и догадываться о них) клетка, так сказать, «сходит с ума» – выходит за пределы установленных порядков, забывает про свои прежние функции. Все её мысли – только о питании (поддержании жизнеспособности) и необходимости деления, которое в случае злокачественного перерождения происходит бесконтрольно и, по сути, бесконечно. Такую клетку принято называть опухолевой, а принадлежность её к определённому типу ткани организма обозначает её как раковую. Бесконечное деление приводит к образованию большого количества таких клеток и формированию их совокупности, называемой опухолью.
Защитные системы организма чаще всего слабо реагируют на опухоль, т.к. принимают эти клетки за свои, не видя в них явной угрозы. При развитии опухоли почти не возникает ни иммунного ответа, ни воспалительной реакции, что никак не препятствует прогрессии и увеличению размеров новообразования. Разрастаясь, опухоль либо раздвигает окружающие ткани, либо врастает в них. Ее питание осуществляется как через уже существующие собственные сосуды организма, так и через новообразованные самой опухолью ветвистые сосудистые сети. Иногда, в силу обстоятельств – либо когда опухоль большая и клеткам тесно друг с другом, либо когда им не хватает трофики и наступает гипоксия, или по другим причинам – раковые клетки начинают распространяться по кровеносным и лимфатическим сосудам в поисках более комфортного места для дальнейшего существования. Прибыв на новое место, раковые клетки также продолжают бесконечно делиться и формировать вторичные опухолевые очаги, которые принято называть метастазами. Их наличие чаще свидетельствует о поздней стадии развития злокачественного новообразования.
Как видим, опухолевая клетка зачастую не настроена враждебно – она не убивает хозяина, а просто существует в своих интересах, прогрессирует и рано или поздно начинает препятствовать нормальному функционированию жизненно важных органов и систем организма. Именно на поздней стадии, когда опухоль или метастазы разрушают или сдавливают окружающие органы и ткани, возникают болезненные ощущения, которые заставляют человека заподозрить у себя заболевание и обратиться за помощью к врачу. Но, думаю, очевидно, что последующие врачебные действия по уничтожению таких клеток весьма затруднены и низко продуктивны при распространении процесса и диссеминированном поражении разных органов. Поэтому существуют годами отлаженные и довольно эффективные программы скрининга (профилактического выявления) и диагностики злокачественных новообразований. Не последнее место в этих программах занимают методы и инструменты клинической диагностики.
На профилактическом осмотре или при обращении пациента с жалобами врач использует стандартные для нашего времени инструментальные методы исследования – эндоскопическую визуальную диагностику, рентген-диагностику, магнитно-резонансную или ультразвуковую диагностику, их модальности (т.е. режимы и доработки) и адаптации под решение конкретной диагностической задачи. Такие методы помогают локализовать подозрительный очаг, определить его структурные характеристики, размер и границы... Однако точно определить, злокачественная опухоль или нет, эти методы не могут - они этого не видят! Их разрешающей способности недостаточно, что не позволяет увидеть отдельные клетки и выявить атипичные структуры, присущие раковым.
Именно поэтому современным стандартом и основным звеном диагностики злокачественных опухолей является гистологическое (патоморфологическое) обследование подозрительных на новообразование тканей организма. Гистология – золотой стандарт, позволяющий максимально точно исключить или верифицировать злокачественную патологию.
В чем же сложности?! Например, чтобы отщипнуть хотя бы небольшой кусочек (биоптат) ткани или даже несколько клеточек для осуществления исследования, врач также нередко использует отмеченные выше методы для реализации навигации специальных инструментов и прицельного забора биопсии/аспирации клеток именно из подозрительного на новообразование участка ткани. Однако, как говорилось выше, зачастую критерии для выбора этой области визуальные или субъективные, и чувствительность (т.е. способность не ошибаться при определении патологии) для такой диагностики снижается, что приводит к запоздалому выявлению и запущенности стадии. Указанные проблемы могут встречаться при диагностике рака простаты, толстой кишки, печени или легких.
Или, к примеру, существует необходимость интраоперационной экспресс-диагностики краев резекции при органосохраняющей хирургии, например опухолей мозга или рака молочной железы. Для решения этой задачи вышеуказанные инструментальные методы практически не подходят. Можно провести экспресс-гистологию на замороженных срезах органов и тканей, но результат чаще характеризуются большой погрешностью, а процесс исследования длительный и трудоемкий, часто приводит к порче забранной ткани и невозможности последующего рутинного гистологического исследования. Также к этому роду задач можно отнести и интраоперационную диагностику метастатического поражения лимфатических узлов при хирургии, например, рака молочной железы, шейки матки или меланомы. Весь вопрос заключается в определении масштабов удаления лимфоузлов, и за неимением высокоспецифичного инструмента (не принимающего норму за патологию) для диагностики таких поражений врач нередко вынужден задерживать пациента в отделении и выполнять повторную операцию.
Всё это подтверждает актуальность развития новых диагностических технологий, повышающих чувствительность и точность диагностических процедур и ускоряющих процесс выявления патологий, но в то же время не требующих специальной подготовки исследуемой ткани и не повреждающих её. Оптимальными для решения таких задач выглядят оптические технологии и методы, которые в последние десятилетия широко развиваются в направлении диагностики злокачественных новообразований.
Что такое оптические методы? Их основная особенность – использование для исследования ткани света. Наука, изучающая взаимодействие света с биологическими тканями, – биофотоника. Основное ограничение этих методов – глубина исследования, обусловленная длиной волны используемого света и ограниченная от нескольких миллиметров до единиц сантиметров. Т.е. оптические методы не могут являться альтернативой рентгеновской или ультразвуковой диагностики, зато существенно превосходят эти методы в пространственном разрешении и позволяют получать принципиально другую информацию о структуре и свойствах изучаемых тканей. Речь идёт, конечно же, о сканировании и получении информации с областей интереса на поверхности доступных тканей (кожи и слизистой), также можно думать и о сканировании во время операции или об экспресс-диагностике уже забранных образцов тканей при выполнении биопсии.
Среди основных методов биофотоники можно назвать флуоресцентную визуализацию на разных уровнях, оптическую когерентную томографию, спектроскопию комбинационного рассеяния, диффузную оптическую спектроскопию, фотоакустические методы и т.д. Важное различие этих методов связано с особенностями процессов, происходящих при взаимодействии фотонов с биотканью, среди которых – отражение, рассеяние, поглощение и флуоресценция. Каждый из методов непрерывно развивается с точки зрения научно-технического прогресса и движения в направлении решения поставленных задач в сферах биологии и медицины.
Рассмотрим идеальный сценарий – начало 90-х годов прошлого века, Массачусетский технологический институт, Эрик Иппен и Джеймс Фуджимото подошли к финишной прямой в разработке ныне широко известной и востребованной технологии оптической когерентной томографии (ОКТ). В качестве объекта, представляющего прикладной интерес, была выбрана кожа человека. Однако из-за высокого рассеяния коллеги решили переключиться на глаз и его строение ввиду намного меньшего затухания сигнала с его слаборассеивающих структур. В этом им помог офтальмолог и на то время аспирант Дэвид Хуан. Обладая хорошими медицинскими знаниями, именно он заподозрил в получаемых диаграммах профиля интенсивности сигнала в глубину следующие за высоким пиком от переднего края сетчатки ещё десятки пиков, которые соответствовали физиологически значимым слоям и структурам глаза.
Тут, помимо благоприятных оптических свойств предложенного объекта, нельзя не отметить важную клиническую задачу – неинвазивная, нетравмирующая диагностика структуры глаза с высоким пространственным разрешением, позволяющим увидеть эти структуры, буквально – с гистологической точностью, ведь взять кусочек ткани для гистологического исследования из глаза, мягко говоря, не лучшая идея, тогда как патологии (например, глаукома, макулярная дегенерация, диабетическая ретинопатия и другие) непосредственно связаны с нарушением нормальной структуры глаза. ОКТ с того времени и по настоящий момент занял нишу высокоэффективного и высокоточного инструмента офтальмологической диагностики. А была бы решена эта задача без врача-офтальмолога в команде? Возможно, да, ведь понимание актуальности неинвазивной диагностики в сферах медицины, где гистологическое исследование практически невозможно, лежит на поверхности. Но весь ли это спектр задач, который подвластен технологии ОКТ в клинической практике?!
Наверняка есть задачи, не менее значимые, но более замысловатые и не приходящие на ум разработчику или физику в силу вполне обоснованно слабого знания медицины. И в обратном направлении – преимущественно прикладное образование и незнание возможностей, особенностей и ограничений оптических технологий не позволяет врачу эффективно использовать последние для решения диагностических проблем и повышения качества оказания медицинской помощи. Поэтому важной задачей специализированных научных институтов является выработка потенциально эффективных точек приложения новых и активно развивающихся оптических технологий, что невозможно без некоторых знаний как в фундаментальных, так и в прикладных биофизических и биомедицинских науках.
В продолжение разговора на тему клинического внедрения технологии ОКТ справделиво отметить разработанный в Институте прикладной физики РАН (Нижний Новгород) мультимодальный ОКТ-прибор, который позволяет изучать не только структуру ткани, но и её поляризационные и упругие свойства, получать информацию о микроциркуляции. Мультимодальность в этом смысле является неким трендом современной биофотоники, где для достижения поставленной цели чаще необходимо совместное использование нескольких технологий или нескольких модальностей. По результатам долговременной работы коллектива физиков, биологов и врачей, хочется отметить определённые успехи в разработке диагностических ОКТ-критериев для рака молочной железы, предстательной железы, толстой кишки, тела матки, опухолей головного мозга, кожи и слизистой ротовой полости. Здесь исследование рассеивающих, поляризационных и упругих свойств тканей в комплексе или по отдельности позволяет методу ОКТ с высокой точностью определять локализацию и границы очага онкопатологии, проводить дифференциальную диагностику, верифицировать в забранном при биопсии образце ткани наличие раковых клеток или интраоперационно проверять границы резекции на предмет остаточных раковых клеток.
Также можно отметить последние исследования методом флуоресцентного время-разрешенного макроимиджинга (FLIM) для решения задач интраоперационной экспресс-диагностики метастатического поражения сторожевых лимфатических узлов при хирургии рака молочной железы. Стандартно, установленное на гистологическом исследовании метастатическое поражение сигнального лимфатического узла требует расширенной лимфодиссекции подмышечных узлов, что связано с хорошим прогнозом выживаемости. Однако высокая точность результатов макро-FLIM-обследования лимфатических узлов подчеркивает перспективы использования этого оптического метода для интраоперационной диагностики и решения вопроса о целесообразности выполнения аксиллярной лимфодиссекции, что в таком случае позволяет выполнить необходимый объём хирургии в одну операцию и сократить срок пребывания пациента в стационаре. Положительные результаты таких исследований подтверждают высокий потенциал дальнейшего развития и клинического использования оптических технологий для диагностики злокачественных новообразований.
При грантовой поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
