Принципиально новый способ диагностики рака предложили физики Томского госуниверситета. В его основе — анализ биологических жидкостей (кровь, слюна) с помощью молекулярного имиджинга. Метод не требует хирургического вмешательства, а главное — позволяет на ранней стадии обнаружить опасные виды онкологических опухолей (такие как колоректальный рак), которые чаще всего дают о себе знать слишком поздно. Подробности — в специальном проекте Tomsk.ru и ТГУ «Технотренды».
Чем неудобны инвазивные методы диагностики?
Для того, чтобы верифицировать онкологический диагноз, всегда проводится гистологический анализ. Биоптат (то есть кусочек ткани), полученный при хирургическом вмешательстве, исследуется достаточно сложным способом. Сначала из него готовится гистологический слайд: образец дегидрируют (удаляют воду), высушивают, фиксируют, разрезают.
На все — порядка суток. Затем слайд окрашивают специальными растворами, и это тоже большое искусство — окрасить так, чтобы увидеть необходимые структуры биоткани. Это с одной стороны. С другой — может получиться, что во время забора гистологии промахнулись и взяли здоровый кусок ткани. И рака в итоге как бы и нет. А он есть…
И, наконец, еще один важный момент: в большинстве случаев оценку гистологического слайда делает человек. Это значит, на интерпретацию результата всегда может повлиять элемент субъективности.
«В октябре у нас защитилась аспирантка, у нее была тема — автоматическая оценка степени рака простаты с помощью методов машинного обучения. И в диссертации приводился пример: чтобы поставить диагноз, гистологический слайд оценивают три-пять человек, потому что один может ошибиться. Если мы используем методы неинвазивной диагностики, которые позволяют «вытащить» определенные количественные характеристики, то они могут помочь в объективной диагностике.
Молекулярный имиджинг в комбинации с методами машинного обучения позволяют получить автоматически заключение о наличии или отсутствии того или иного заболевания. Понятно, что окончательно решение должно быть за человеком. То есть указанные методы являются по сути системой поддержки принятия диагностического решения», — рассказал доктор физико-математических наук, заведующий Лабораторией лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ Юрий Кистенев.
В физике есть отдельная научная дисциплина — биофотоника, изучающая явления и методики, связанные с взаимодействием биологических объектов и фотонов. Под воздействием инфракрасного излучения отдельные биомолекулы начинают «светиться» в видимом диапазоне. Этот процесс называют флуоресценцией.
Как работает молекулярный имиджинг?
Молекулярный имиджинг — это набор оптических методов, которые позволяют получать спектральные данные и данные о морфологии биоткани или биологических образцов. Один из очень удачных примеров его применения — новая методика диагностики колоректального рака, созданная в рамках Мегагранта Минобрнауки РФ коллективом лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ совместно с учеными из НИИ онкологии Томского НИМЦ РАН.
Этот вид рака довольно сложно диагностируется, простых способов оценки нет. А самое печальное, что выявляют его на поздних стадиях, потому что подавляющее большинство классических диагностических процедур начинаются на этапе «доктор, у меня очень сильно болит», то есть когда болезнь запущена.
«Метод диагностики колоректального рака разрабатывался совместно с коллегами из НИИ онкологии (а все исследования мы проводим с клиницистами, и они, кстати, часто нам ставят задачу). В качестве основы анализа мы использовали биологические жидкости — слюну, кровь. В этих жидкостях есть биологические нанообъекты — визикулы, они делятся на несколько видов.
Мы, в частности, использовали так называемые экзосомы, которые выделяются клетками для межклеточного обмена генетической информацией. Это маленькие образования (размером порядка 100 нанометров), в которых содержится генетический код. Онкологические экзосомы по составу отличаются от здоровых, и если есть рак, то они будут во всех тканях и жидкостях», — пояснил Юрий Кистенев.
Коллеги из НИИ онкологии выделили экзосомы из слюны и крови (процесс этот технологически непростой, но относительно быстрый, и к тому же неинвазивный, поэтому исследование в дальнейшем можно будет включить в рутинные программы профилактических чекапов). А ученые ТГУ исследовали пробы с помощью метода двухфотонной микроскопии.
Многофотонный микроскоп не похож на обычный. Если не вдаваться в физические детали, самое главное его отличие — он дает информацию о составе биоткани или биологических образцов, например, пространственному распределению различных белков. У различных белков флуоресценция идет по-своему. Соответственно, флуоресценция экзосомами зависит от их химического состава.
«Когда мы начали рассматривать снимки экзосом у здоровых и больных (с колоректальным раком), то увидели на изображениях интересные отличия: две группы характерных образований у проб онкологических пациентов и только одна — у здоровых добровольцев. Тогда мы выдвинули гипотезу о том, что у больных пациентов могут быть здоровые экзосомы, но у здоровых нет экзосом, связанных с онкологией. И потом уже с помощью этого критерия, основанного на доле онкологических экзосом, провели анализ имеющихся данных. И получилось идеальное разделение проб от пациентов с онкологией и здоровых добровольцев!», — добавил Юрий Кистенев.
Понятно, что идеальных (то есть 100% надежных) методов диагностики все равно нет. Все-таки объем крови у человека — пять литров, а при анализе берутся какие-то пять кубических сантиметров. Тем не менее, это очень действенный способ выявить опасный вид рака на ранних стадиях.
Прелесть подхода также в том, что ученые получили простой количественный критерий по относительному количеству экзосом, связанных с онкологией. Меньше 0,5 — здоровый человек, больше 0,5 бывает только у пациентов с онкологией. Это позволяет проводить предварительную диагностику без специальных навыков.
По словам Юрия Кистенева, сейчас уровень готовности технологии по шкале TRL (Technology Readiness Level) можно оценить как 2-3. Отлаженная методика, которую можно передавать производителю — это 5-7 уровни.
Для внедрения новой диагностической технологии в практику нужно будет, например, существенно упростить технологии экспериментального исследования, а конкретно — сделать аналитический прибор попроще и подешевле. Потому что технология-то простая, а вот микроскоп, который используют сейчас биофизики ТГУ, единственный в России. Но вполне реально сделать аналог попроще, который могли бы использовать клиницисты в рутинной практике.
