Методическая статья

Выявление и выделение рака при биопсии предстательной железы с использованием стимулированной гистологии комбинационного рассеяния света и искусственного интеллекта

1.7K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/68083

⸱

10 июня 2025 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Genecentrix Inc., 2Vancouver Prostate Center, University of British Columbia, 3Invenio Imaging, 4Dept. of Urology, NYU Langone Health, 5Dept. of Radiology, NYU Langone Health, 6Dept. of Biomedical Engineering, NYU Langone Health, 7Dept. of Urologic Sciences, University of British Columbia

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы представляем стандартизированный протокол выявления рака предстательной железы с использованием стимулированной гистологии комбинационного рассеяния света (СРГ) на образцах биопсии из-за преимуществ по сравнению с традиционной гистопатологией, уделяя особое внимание подготовке образцов, визуализации и искусственному интеллекту для улучшения соотношения рака и тканей. Кроме того, он поддерживает биобанкинг для транскриптомики, моделей органоидов или ксенотрансплантатов, а также идентификацию интраоперационных хирургических краев.

Аннотация

Рак предстательной железы остается одним из наиболее распространенных злокачественных новообразований, поражающих мужчин во всем мире, поэтому раннее выявление и достижения в области точной медицины имеют решающее значение для эффективного вмешательства и лечения. Представлен стандартизированный протокол для использования стимулированной гистологии комбинационного рассеяния света (СРЗ) со встроенным искусственным интеллектом (ИИ) в выявлении рака предстательной железы, что обеспечивает значительные преимущества по сравнению с традиционными гистопатологическими методами. SRH обеспечивает эти достижения за счет повышения эффективности за счет визуализации свежих, неокрашенных тканей практически в режиме реального времени без меток, тем самым устраняя задержки, связанные с традиционным анализом биопсии.

С помощью микроскопии вынужденного комбинационного рассеяния (SRS) для обнаружения специфических вибрационных частот связейCH2 , связанных с липидами, и связейCH3 , связанных с белками и ДНК, можно дифференцировать раковые и доброкачественные ткани в биопсии предстательной железы. Модель искусственного интеллекта еще больше повышает точность диагностики, достигая 98,6% точности при выявлении рака предстательной железы. В протоколе изложены основные шаги по подготовке образцов, визуализации и анализу данных, что способствует совершенствованию процессов биобанкинга и позволяет применять его на последующих этапах, таких как транскриптомика и исследования ксенотрансплантатов. Этот подход ускоряет диагностический процесс и показывает перспективы для интраоперационного применения, потенциально помогая хирургам в выявлении положительных краев во время операции. Кроме того, возможность повторного сканирования и корректировки соотношения рака и тканей позволяет проводить более целенаправленный анализ образцов биопсии, улучшая обнаружение опухолей в необработанных тканях. Дальнейшие исследования и валидация необходимы для широкого внедрения СРЗ в клиническую практику.

Введение

Рак предстательной железы остается одним из ведущих злокачественных новообразований, поражающих мужчин во всем мире, при этом раннее выявление имеет решающее значение для успешного вмешательства и лечения1. Исторически сложилось так, что диагностика рака предстательной железы в значительной степени основывалась на гистопатологической оценке образцов биопсии предстательной железы, чаще всего с помощьюокрашивания гематоксилином и эозином (H&E). Несмотря на эффективность, традиционные методы анализа биопсии предстательной железы обычно приводят к периоду ожидания от нескольких дней до недель, в зависимости от города или страны, из-за процедурных и логистических факторов. Эти задержки возникают из-за нескольких трудоемких этапов, включая фиксацию формалина, заделку парафина, срезы и окрашивание H&E. Таким образом, совокупное время обработки, усугубляемое большим объемом биопсийных образцов, может задержать диагностику и планирование лечения.

Последние достижения в технологиях визуализации, в частности, микроскопия со стимулированным комбинационным рассеянием света (SRS), могут изменить диагностическую практику, предоставив надежный метод визуализации, который не требует фона и легко интерпретируется 3,4. SRS использует два лазерных луча: луч накачки (ωp) и пучок Стокса (ωs), которые взаимодействуют с образцом. Когда разность частот (Δω = ωp −ωs) совпадает с определенной молекулярной частотой колебаний (Ω), сигнал усиливается за счет стимулированного усиления или потери комбинационного рассеяния. Этот процесс усиливает контраст молекулярных колебаний, позволяя получать высокочувствительную визуализацию тканей 3,4. SRS позволяет обнаруживать молекулярные колебания, связанные с растягивающими вибрациями CH2 (2 845 см-1), коррелирующими с липидами, и растягивающими вибрациями CH3 (2 930 см-1), связанными с белками и ДНК4. Обнаружение сигнала SRS обычно включает в себя схему передачи с высокочастотной модуляцией, позволяющую точно изолировать слабые вибрационные сигналы от фонового шума.

Микроскопия SRS обладает возможностями оптического среза, которые позволяют получать точные трехмерные изображения без необходимости физического среза тканей. Это достигается за счет выравнивания и фокусировки накачки и лазерных лучей Стокса в точке внутри образца, ограниченной дифракцией, где возбуждаются определенные молекулярные колебания. Конфокальная природа SRS, обусловленная ее квадратичной зависимостью от интенсивности лазеров, гарантирует, что сигналы ограничены фокальной плоскостью, исключая вклад вне фокуса и предоставляя высоколокализованную химическую информацию 5,6. Эта визуализация с глубинным разрешением сохраняет целостность тканей, устраняя механическую нарезку, сокращая время обработки и сохраняя биологический и молекулярный контекст образца.

Основываясь на принципах SRS, стимулированная гистология комбинационного рассеяния света (SRH) использует эти молекулярные вибрационные данные для создания псевдо-H&E изображений свежей, неокрашенной ткани в режиме реального времени, тем самым предоставляя клиницистам более быстрые иэффективные диагностические инструменты. Эта способность генерировать высококачественные изображения сделала SRH незаменимым инструментом для исследований и потенциального клинического применения9. Недавно оценка интраоперационного края с использованием СРГ обеспечила патологическую обратную связь практически в режиме реального времени во время частичной абляции железы и радикальной простатэктомии, что позволило немедленно скорректировать лечение10,11.

Имидж-сканер SRH использует собственные молекулярные колебания для получения информации о составе тканей. SRH может быть использована для эффективной дифференциации раковых и доброкачественных тканей предстательной железы путем анализа вибрационных свойствCH2 иCH3 7,12. Тепловизор SRH улавливает эти вибрации и создает псевдо-H&E изображения, которые усиливают ядерный контраст, выступая в качестве быстрой альтернативы традиционной гистопатологии и обеспечивая высококачественные изображения за 2-8 минут, в зависимости от размера ткани7,8.

Оценивалась эффективность СРЗ для экспресс-патологоанатомического обследования необработанных биопсий предстательной железы. Патологоанатомы были обучены интерпретации изображений СРГ из ядер биопсии предстательной железы, полученных ex vivo из образцов простатэктомии8. Метод сканирования SRH был оптимизирован для получения изображений с высоким разрешением в течение нескольких минут, что значительно сократило время, необходимое по сравнению с традиционной гистопатологией. Образцы биопсии, содержащие смесь доброкачественной и злокачественной гистологии, послужили учебным набором для патологоанатомов, которые затем выполнили слепую оценку отдельного набора биопсий, визуализированных с помощью SRH и обработанных с помощью окрашивания H&E, чтобы они служили достоверными. Результаты показали, что средняя точность патологоанатома для выявления рака предстательной железы составила 95,7%, с хорошей коркордансацией в выявлении клинически значимых раковых заболеваний, что указывает на то, что СРЗ может эффективноподдерживать диагностику в режиме, близком к реальному времени.

В последующих исследованиях был интегрирован искусственный интеллект (ИИ) для дальнейшего повышения точности, эффективности и простоты диагностики в реализации. В этой модели искусственного интеллекта используются методы глубокого обучения для анализа вибрационных и морфологических особенностей, зафиксированных SRH, что позволяет автоматически классифицировать образцы биопсии предстательной железы на доброкачественные, раковые и недиагностические области, что значительноупрощает процесс патологической оценки. Интеграция SRH-AI продемонстрировала впечатляющую точность, достигнув 96,5% в выявлении рака предстательной железы, с показателями чувствительности и специфичности 96,3% и 96,6%соответственно9. Благодаря интеграции ИИ с SRH была достигнута производительность диагностики, соответствующая производительности опытных патологоанатомов.

Благодаря обширной оценке SRH с патологоанатомами и разработке модели искусственного интеллекта, интегрированной в томограф SRH, возможности этой технологии были значительно расширены. В этом протоколе подробно описаны этапы подготовки образцов биопсии предстательной железы, их визуализации с помощью сканера SRH и анализа данных с помощью инструментов с поддержкой искусственного интеллекта. Следуя этим шагам, исследователи и клиницисты могут использовать эту новую технику для улучшения выявления, исследования и лечения рака предстательной железы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Этот протокол предполагает использование человеческих образцов и соответствует рекомендациям по уходу за людьми Университета Британской Колумбии. Исследование было одобрено Институциональным наблюдательным советом (IRB) под следующими этическими номерами: SRH: H23-00459, AI: H24-00585 и Biobank: H21-03722. Письменное информированное согласие было получено от всех субъектов до сбора образцов. Все процедуры проводились с соблюдением институциональных и нормативных этических стандартов для обеспечения защиты и конфиденциальности участников.

1. Включите SRH Imager

  1. Питание тепловизора SRH (Рисунок 1A). Дайте системе прогреться в течение 30 минут, чтобы убедиться, что лазер достигает оптимальной рабочей температуры для точного изображения.

2. Подготовьте камеру для жидкости

  1. Прикрепите шприц объемом 50 мл, наполненный стерилизованной водой, к клапану шприца с левой стороны интерфейса тепловизора SRH (рис. 1B). Убедитесь, что шприц надежно закреплен для поддержания надлежащей циркуляции жидкости.

3. Авторизуйтесь в системе

  1. Как только система загрузится, используйте сенсорный монитор для ввода имени пользователя и пароля.
  2. Выберите подходящее имя пользователя и введите пароль. Нажмите «Войти».
  3. Примите Отказ от ответственности , чтобы признать, что исследование проводится в исследовательских целях, если оно используется за пределами Соединенных Штатов или Европейского Союза.

4. Создайте новое исследование

  1. Выберите «Создать новое исследование » в меню « Создать новое исследование», «Продолжить существующее исследование» и «Просмотреть существующее исследование».

5. Введите информацию о случае

  1. Вводите соответствующую информацию о случае, включая фамилию, имя, номер медицинской карты, дату рождения, номер доступа, идентификатор исследования, имя врача, номер кабинета, первичное анатомическое местоположение и модуль анализа.
  2. Сохраните образцы как John Doe (например).
  3. В разделе «Основное анатомическое расположение» выберите «Простата (только для исследовательского использования)».
  4. В поле «Режим анализа» выберите «Рак предстательной железы (только для исследовательского использования)», чтобы использовать интегрированный искусственный интеллект для обнаружения рака предстательной железы.

6. Завершите создание исследования и заполните камеру для жидкости

  1. Нажмите «Создать исследование » после ввода информации о заболевании.
  2. Когда система попросит вас, нажмите «Подтвердить », чтобы подтвердить, что данные будут использоваться только в исследовательских целях.
  3. Наполните камеру для жидкости стерилизованной водой в соответствии с инструкциями.
  4. Нажмите «Далее » при появлении запроса, затем выберите «Получить » из отображаемых вариантов.
  5. Нажмите «Загрузить новый образец», и система отобразит сообщение «Подготовить образец и загрузить предметное стекло NIO».

7. Подготовка образца и предметного стекла

  1. Извлеките предметное стекло биопсии предстательной железы. С помощью тканевых щипцов с зубьями осторожно откройте прикрепленный покровный листок. Держа предметное стекло и защитный стекло открытыми, с помощью тканевых щипцов надежно поместите биопсию предстательной железы из среды RPMI в паз предметного стекла. Аккуратно закройте покровное стекло и закрепите образец.
  2. Откройте держатель слайдов на интерфейсе имидж-сканера SRH и вставьте подготовленный предметный предмет в держатель слайдов, обеспечив правильное выравнивание. Закройте крышку тепловизора SRH. Когда система обнаружит закрытую крышку, нажмите «Далее », чтобы продолжить.

8. Настройка параметров получения изображений

  1. Задайте следующие параметры изображения:
    1. В качестве названия образца: выберите биопсию 1 А для первой биопсии.
    2. Для области сканирования: Выберите 0,4 мм x 6,1 мм, 3 области (только для исследовательского использования) для сканирования всей биопсии.
    3. Для положения сканирования: используйте изображение на экране для ручной настройки местоположения сканирования.
  2. Нажмите «Получить изображение », чтобы продолжить.
  3. Просмотрите сведения об образце, отображаемые на экране, и подтвердите, выбрав Продолжить.

9. Получение изображения СРГ

  1. Позвольте имидж-сканеру SRH выполнять автофокусировку и получать изображения, создавая окончательное изображение SRH.
  2. Дайте имидж-сканеру отсканировать биопсию в трех срезах (сканирование 1, сканирование 2 и сканирование 3), как показано на рисунке 2A.
  3. Пусть имидж-сканер объединит секции для формирования полного изображения SRH (рисунок 2B), создавая псевдо-H&E-изображение для оценки.

10. Отображение изображения СРЗ

  1. Просмотр снимка свежей, неокрашенной биопсии предстательной железы в формате SRH . Изображение имитирует окрашивание H&E с использованием розово-фиолетовой цветовой схемы, которая выделяет молекулярные колебания CH2 (связанные с липидами) и молекулярные колебания CH3 (связанные с белками и ДНК).

11. Интерпретация изображения SRH с помощью искусственного интеллекта только для исследовательского использования

  1. Примените наложение ИИ, щелкнув значок (>>) на экране. Наложение AI определяет раковые области красным цветом, нераковые области — зеленым, а недиагностические области — фиолетовым (рис. 3A).
  2. Просмотрите гистограмму, показывающую процентное содержание раковой ткани, нераковой ткани и недиагностической ткани (рисунок 3B).
  3. Вернитесь к исходному образу SRH без наложения AI, щелкнув значок (<<).

12. Масштабирование и навигация по изображению SRH

  1. Используйте функции увеличения и уменьшения масштаба на сенсорном экране, чтобы подробно изучить различные области биопсии.
  2. Используйте навигационные значки для перемещения по изображению для всестороннего изучения образца биопсии.

13. Выделение выбранной ткани

  1. После первичного сканирования осторожно извлеките биопсию из предметного стекла. С помощью тканевых щипцов с зубами приподнять прикрепленный покровный листок и аккуратно освободить биопсию.
  2. Поместите биопсию на увлажненную тельфу, смоченную в физрастворе, чтобы сохранить целостность тканей во время процесса обрезки.
  3. Используйте хирургическое лезвие для обрезки нераковых областей, идентифицированных на наложении изображения SRH, созданном искусственным интеллектом, путем визуальной оценки наложения для определения оптимальных областей для удаления. Сосредоточьтесь на удалении областей, обычно расположенных на концах биопсии, чтобы увеличить соотношение рака и тканей. Убедитесь, что осталось достаточно ткани для повторного сканирования.

14. Повторное сканирование биопсии

  1. Повторное сканирование биопсии в соответствии с той же процедурой, описанной в шагах 9-11.
  2. Отрегулируйте область сканирования и положение, чтобы подтвердить увеличение соотношения рака и тканей (показано на рисунке 3C-E). Просмотрите обновленное изображение SRH и наложение искусственного интеллекта, чтобы проверить процентное соотношение раковых и нераковых областей.
  3. Повторяйте обрезку и повторное сканирование до тех пор, пока не будет достигнуто желаемое соотношение.

15. Биобанкинг и криоконсервация

  1. Извлеките биопсию из предметного стекла с помощью тканевых щипцов с зубами. Поместите биопсию в криопробирку.
  2. Заморозьте криопробирку в жидком азоте, чтобы обеспечить быструю сохранность образца.
  3. Перенесите криопробирку с жидким азотом в морозильную камеру при температуре -80 °C или хранилище жидкого азота для долгосрочного хранения.

16. Экспорт данных изображения

  1. Коснитесь значка бумажного самолетика , чтобы экспортировать данные изображения для хранения и дальнейшего анализа.
  2. Чтобы выбрать место экспорта, коснитесь параметра « Выбрать местоположение экспорта » и выберите один из следующих вариантов: USB (обезличенный), USB (завершенный) и iPhone (завершенный). Выберите USB (Complete) и выберите внешний жесткий диск для экспорта данных.
  3. Чтобы выбрать серию изображений для экспорта, выберите «Все исследование », чтобы экспортировать все серии изображений СРЗ для пациента, а не для конкретной серии.
  4. Подождите, пока система отобразит сообщение «Выполняется экспорт », и нажмите «Подтвердить » после завершения экспорта.

17. Выключите микроскоп SRH

  1. Нажмите «Выйти » и следуйте инструкциям по выключению, отображаемым на экране.
  2. Выберите «Продолжить без » при появлении запроса на архивацию данных изображения (если они уже экспортированы).
  3. Утилизируйте образец в соответствии с соответствующими лабораторными протоколами.
  4. Нажмите «Далее » и опорожните камеру с жидкостью с помощью прилагаемого шприца в соответствии с инструкциями.
  5. Нажмите «Далее » при появлении запроса, затем выберите « Да » из предложенных вариантов.
  6. Извлеките и утилизируйте шприц.
  7. Нажмите «Выключить », чтобы полностью выключить микроскоп SRH.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Применение SRH, интегрированное с искусственным интеллектом, продемонстрировало быстрое обнаружение и характеристику рака предстательной железы в образцах биопсии за считанные минуты. На рисунке 2А показана многоступенчатая процедура сканирования сканера SRH, в ходе которой были выполнены три различных сканирования (сканирование 1, сканирование 2 и сканирование 3) по биопсийному образцу. При каждом сканировании были зафиксированы уникальные молекулярные вибрационные сигнатуры, соответствующи...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Протокол СРГ для выявления рака предстательной железы представляет собой значительный шаг вперед в области медицинской визуализации и гистопатологии. SRH позволяет получать визуализацию свежих, неокрашенных тканей практически в режиме реального времени без меток, что позволяет быстро обнаруживать рак в необработанных тканях без задержек, связанных с традиционными гистопатологическими методами 3,4,5,6,7,8,9.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

К. Фройдигер является сотрудником, акционером и директором компании Invenio Imaging и владеет патентами на спектроскопическую микроскопию комбинационного рассеяния света, которые имеют независимую лицензию. А. Ион-Маргиняну является акционером компании Invenio Imaging.

Благодарности

Мы признательны за вклад исследовательской группы из Ванкуверского центра предстательной железы и NYU Langone Health, а также за техническую поддержку, предоставленную Invenio Imaging. Эта работа финансировалась Инновационным центром Министерства здравоохранения Британской Колумбии.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Настольный контейнер для жидкого азотаТермо Сайентиал11-670-4Б
ЦитотрубкаGreiner Bio-One126279
Dumont #5 Тонкие щипцыИнструменты для точной науки11254-20
Предметное стекло для биопсии предстательной железы NIOInvenio Imaging, Inc.АТ0013
Решение RPMIThermo Fisher Scientific11875093
Солевой растворБакстер
SRH Imager (система лазерной визуализации NIO)Invenio Imaging, Inc.
Хирургическое лезвиеНаучный центр Фишера501094395

Ссылки

  1. Siegel, R. L., Miller, K. D., Jemal, A. Cancer statistics, 2020. CA Cancer J Clin. 70 (1), 7-30 (2020).
  2. Epstein, J. I., et al. The 2014 International Society of Urological Pathology (ISUP) Consensus Conference on Gleason Grading of Prostatic Carcinoma: Definition of grading patterns and proposal for a new grading system. Am J Surg Pathol. 40 (2), 244-252 (2016).
  3. Freudiger, C. W., et al. Stimulated Raman scattering microscopy with a robust fibre laser source. Nat Photonics. 8 (2), 153-159 (2014).
  4. Freudiger, C. W., et al. Label-free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy. Science. 322 (5909), 1857-1861 (2008).
  5. Hu, F., Shi, L., Min, W. Biological imaging of chemical bonds by stimulated Raman scattering microscopy. Nat Methods. 16 (9), 830-842 (2019).
  6. Cheng, Q., Miao, Y., Wild, J., Min, W., Yang, Y. Emerging applications of stimulated Raman scattering microscopy in materials science. Matter. 4 (5), 1460-1483 (2021).
  7. Orringer, D. A., et al. Rapid intraoperative histology of unprocessed surgical specimens via fibre-laser-based stimulated Raman scattering microscopy. Nat Biomed Eng. 1, 0027(2017).
  8. Mannas, M. P., et al. Stimulated Raman histology, a novel method to allow for rapid pathologic examination of unprocessed, fresh prostate biopsies. Prostate. 83 (11), 1060-1067 (2023).
  9. Mannas, M. P., et al. Stimulated Raman histology interpretation by artificial intelligence provides near-real-time pathologic feedback for unprocessed prostate biopsies. J Urol. 211 (3), 384-391 (2024).
  10. Mannas, M. P., et al. Intraoperative margin assessment with near real time pathology during partial gland ablation of prostate cancer: A feasibility study. Urol Oncol. 43 (1), 64.e19-64.e25 (2024).
  11. Mannas, P. M., et al. MP61-18 stimulated Raman histology, a novel method for intraoperative surgical margin assessments during robotic assisted laparoscopic prostatectomy. J Urol. 209 (Supplement 4), (2023).
  12. Hollon, T., et al. Artificial-intelligence-based molecular classification of diffuse gliomas using rapid, label-free optical imaging. Nat Med. 29 (4), 828-832 (2023).
  13. Lee, M., et al. Recent advances in the use of stimulated Raman scattering in histopathology. Analyst. 146 (3), 789-802 (2021).
  14. Sarri, B., et al. In vivo organoid growth monitoring by stimulated Raman histology. Npj Imaging. 2 (1), 18(2024).
  15. Ao, J., et al. Stimulated Raman scattering microscopy enables Gleason scoring of prostate core needle biopsy by a convolutional neural network. Cancer Res. 83 (4), 641-651 (2023).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

SRS

Похожие статьи