Dostęp Otwarty

Nowe metody diagnostyczne

Diagnostyka fotodynamiczna i autofluorescencyjna nowotworów

prof. dr hab. n. med. Aleksander Sieroń1, dr n. med. Sebastian Kwiatek1, dr hab. n. med. Agata Stanek1, lek. Beata Flak1, lek. Marcin Markiel1, dr hab. n. med. Aleksandra Kawczyk-Krupka1, dr n. med. Wojciech Latos1, prof. dr hab. n. med. Grzegorz Cieślar1, dr hab. n. med. Karolina Sieroń-Stołtny2

1Katedra i Oddział Kliniczny Chorób Wewnętrznych, Angiologii i Medycyny Fizykalnej Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach z Ośrodkiem Diagnostyki i Terapii Laserowej

2Zakład Medycyny Fizykalnej Katedry Fizjoterapii Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach

Adres do korespondencji: dr n. med. Sebastian Kwiatek, Katedra i Oddział Kliniczny Chorób Wewnętrznych, Angiologii i Medycyny Fizykalnej w Bytomiu. Ośrodek Diagnostyki i Terapii Laserowej w Bytomiu, ul. Stefana Batorego 15, 41-902 Bytom. Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach. E-mail: sebastian_kwiatek@tlen.pl

Wykorzystanie technik fotodynamicznej i autofluorescencyjnej podczas badań endoskopowych ułatwia rozpoznawanie ognisk nowotworów nawet we wczesnym stadium zaawansowania, wykrywanie stanów przednowotworowych, ocenę wyników leczenia, wykrywanie nawrotów nowotworu, a także precyzyjne pobieranie wycinków tkankowych do badania histopatologicznego.

Współczesna diagnostyka onkologiczna zmierza do jak najwcześniejszego rozpoznania procesu nowotworowego. Stosowane obecnie metody diagnostyczne w dużej mierze pozwalają na wczesne ustalenie rozpoznania, nawet we wczesnym stadium zaawansowania nowotworu, a włączenie właściwych działań terapeutycznych pozwala na całkowite wyleczenie wielu chorych. Działania specjalistów są obecnie ukierunkowane zwłaszcza na poszukiwanie wczesnych postaci nowotworów, ale również wykrywanie zmian, które w przyszłości mogą transformować w kierunku procesu nowotworowego. Mnogość uzupełniających się metod obrazowania pozwala na stosunkowo wczesne rozpoznawanie chorób nowotworowych i zastosowanie optymalnego postępowania terapeutycznego.

Równie istotne wydaje się poszukiwanie metod diagnostycznych minimalnie inwazyjnych, jak najmniej obarczających ryzykiem wystąpienia powikłań, a jednocześnie cechujących się jak największą czułością i swoistością. Szczególne trudności sprawia obecnie diagnostyka niewielkich zmian, które makroskopowo trudno odróżnić od tkanek fizjologicznych, a także zmian wieloogniskowych i rozproszonych wśród tkanek prawidłowych.

Rozwój technik obrazowania tkanek dokonany w ciągu ostatnich 50 lat pozwolił na istotne zwiększenie możliwości rozpoznawania wielu schorzeń nowotworowych. Dynamiczny rozwój technik cyfrowych obrazowania oraz światłowodowych systemów przesyłania obrazu udoskonalił endoskopowe metody obrazowania tkanek, przyczyniając się do znacznego rozszerzania możliwości diagnostycznych w takich specjalnościach zabiegowych, jak ginekologia i urologia, a także w specjalnościach z zakresu chorób wewnętrznych – np. pulmonologii lub gastroenterologii.

Zastosowanie metod autofluorescencyjnych i fotodynamicznych

W codziennej praktyce klinicznej diagnostyka autofluorescencyjna i fotodynamiczna realizuje się na pięciu poziomach diagnostycznych.

Są nimi:

  • diagnostyka wczesnych postaci nowotworów – może to być zatem metoda wykorzystywana w zapobieganiu dalszej transformacji nowotworowej
  • ocena zmian przednowotworowych, które w przyszłości mogą dać początek transformacji nowotworowej
  • zapobieganie nawrotom choroby, zwłaszcza wtedy, gdy w badaniach tradycyjnych nie uwidoczniono ewidentnych cech progresji lub nawrotu nowotworu
  • możliwość monitorowania przebiegu choroby nowotworowej i wyniku zastosowanych działań terapeutycznych, głównie leczenia chirurgicznego oraz terapii fotodynamicznej
  • możliwość wykluczenia nowotworowego charakteru zmiany.

W piśmiennictwie podkreśla się, iż na wyzwania diagnostyczne i terapeutyczne stawiane przez współczesną onkologię zdają się w dużej mierze odpowiadać fluorescencyjne techniki obrazowania tkanek, a wśród nich diagnostyka autofluorescencyjna, fotodynamiczna oraz biopsja optyczna.

Diagnostyka fotodynamiczna i autofluorescencyjna

Diagnostyka autofluorescencyjna jest metodą obrazowania wykorzystywaną od około dekady jako uzupełnienie tradycyjnego badania endoskopowego. Opiera się ona na naturalnym zjawisku emisji światła z tkanek po wzbudzeniu zawartych w nich endogennych związków o budowie porfirynowej. U podstaw fizycznych i biologicznych tej metody leży gromadzenie się substancji porfirynowych w większych stężeniach w tkankach charakteryzujących się szybszym metabolizmem oraz szybszym wzrostem w porównaniu z tkankami fizjologicznymi. Na różnicowanie, oparte na właściwościach biooptycznych tkanek zdrowych i nowotworowych, ma znaczący wpływ zachwianie równowagi oksydoredukcyjnej w komórkach nowotworowych, która przejawia się zmianą stosunku utlenionych do zredukowanych NAD i FAD. W piśmiennictwie podkreśla się, iż poza wymienionymi czynnikami pozwalającymi na odróżnienie tkanki nowotworowej od tkanki fizjologicznej, analiza zjawiska autofluorescencji umożliwia wykazanie różnic architektoniki tkanek zdrowych i nowotworowych. Wieloetapowy proces transformacji tkanek w kierunku nowotworowym prowadzi do zaburzenia właściwej dla danej tkanki struktury komórkowej oraz naczyniowej, a tym samym do manifestacji tego zjawiska w postaci istotnych różnic w emitowanym widmie światła pochodzącym z tkanki badanej.

Zjawisko autofluorescencji tkanek zachodzi po doprowadzeniu do badanego obszaru tkankowego energii świetlnej o ściśle określonych długościach fal, odpowiadających pasmom pochłaniania wybranych endogennych substancji optycznie czynnych o właściwościach autofluorescencyjnych.

Podkreśla się, że zmiany takich zjawisk fizycznych, jak rozpraszanie, odbicie oraz absorpcja fal światła ultrafioletowego i widzialnego, są podstawą optycznej analizy tkanek, umożliwiają też precyzyjne określenie marginesu tkanki zdrowej i patologicznej. W wyniku tych procesów obserwuje się istotne zmniejszenie natężenia zielonej fizjologicznej autofluorescencji w obrębie tkanki nowotworowej w porównaniu ze znacznym natężeniem zielonej autofluorescencji emitowanej z tkanek zdrowych.

Pierwsze doniesienia poświęcone wykorzystaniu tej metody pojawiły się w latach 90. XX wieku, gdy udowodniono przydatność obrazowania fotodynamicznego i zasadność jego stosowania w diagnostyce wczesnych postaci nowotworów oraz stanów przednowotworowych w uzupełnieniu dotychczasowych metod obrazowania endoskopowego.

Dzięki intensywnym badaniom poświęconym opracowaniu nowoczesnych systemów komputerowych oraz optycznych wykorzystywanych we współczesnym obrazowaniu endoskopowym, możliwe było stworzenie integralnych systemów obrazowania dwumodalnego, pozwalającego na ocenę zarówno w świetle białym, jak i fluorescencyjnym, w trakcie tej samej procedury.

W ostatnim dziesięcioleciu na podstawie wyników badań nad wykorzystaniem autofluorescencji w diagnostyce schorzeń nowotworowych obrazowanie autofluorescencyjne skutecznie wprowadzono do codziennej praktyki klinicznej w wielu ośrodkach na świecie. Metoda ta służy obrazowaniu wczesnych i zaawansowanych postaci raka drzewa oskrzelowego, ocenie zmian polipowatych jelita grubego, diagnostyce czerniaka skóry, zmian powierzchownych błony śluzowej pęcherza moczowego, często również jest stosowana jako badanie przesiewowe.

Najczęściej wykorzystywanymi w obrazowaniu autofluorescencyjnym źródłami światła wzbudzania są lasery, które pozwalają na uzyskanie konkretnej długości fali światła spolaryzowanego o ściśle dobranych energiach. W praktyce klinicznej znalazły zastosowanie jonowe lasery kryptonowe i argonowe, lasery barwnikowe, a także lasery diodowe, dzięki którym uzyskano istotne zmniejszenie kosztów aparaturowych oraz znaczne wydłużenie żywotności źródeł światła. Postęp w optyce źródeł światła endoskopowego, wprowadzenie światłowodów do transmisji sygnału optycznego oraz zastosowanie systemów wideoendoskopii pozwoliły na wykorzystanie lampowych źródeł światła, przy czym uzyskiwanie monochromatycznego światła wzbudzania zachodzi tutaj przez system filtrów optycznych selekcjonujących, dzięki czemu możliwe jest jednoczesne badanie zarówno w tradycyjny sposób w świetle białym, jak i w świetle autofluorescencyjnym.

Stosowana na obecnym rynku medycznym aparatura do diagnostyki autofluorescencyjnej obejmuje widmo pochodzące z obserwowanych tkanek reprezentowane przez trzy podstawowe składowe kolorowe obrazu. Przekłada się to na uzyskanie w czasie rzeczywistym obrazu kolorowego zmiany o charakterze nowotworowym na tle tkanek niezmienionych. W wyniku odpowiednich transformacji obrazu możliwe jest jednoczesne obrazowanie tkanek patologicznych na tle tkanek fizjologicznych, co znacznie usprawniło interpretację uzyskiwanych wyników. Zsynchronizowanie kamer autofluorescencyjnych oraz fluorescencyjnych z optyką endoskopową pozwoliło na rozszerzenie aplikacji tych metod obrazowania na narządy dostępne endoskopowo, tym samym usprawniając diagnostykę zmian nowotworowych oraz istotnie poprawiając czułość i swoistość tradycyjnej endoskopii.

Cennym udoskonaleniem obrazowania autofluorescencyjnego stały się możliwości jednoczasowego z obrazowaniem analizowania uzyskiwanych obrazów autofluorescencyjnych. Obraz pochodzący z kamer autofluorescencyjnych jest w czasie rzeczywistym rozkładany na poszczególne składowe, które następnie są analizowane osobno po jednym kliknięciu przycisku aparatu, co z kolei znakomicie usprawnia i przyspiesza decyzję i wybór miejsca pobrania wycinków do badania histopatologicznego. Kolejnym istotnym udoskonaleniem obrazowania autofluorescencyjnego było stworzenie algorytmów analizy obrazu pozwalających na uzyskiwanie przestrzennych map natężenia światła emitowanego z tkanek, dzięki czemu ustalono, iż w miejscach o największym zaawansowaniu procesu nowotworowego dochodzi do znacznego zmniejszenia natężenia światła o długościach z zakresu koloru zielonego w porównaniu z tkankami zdrowymi. Przestrzenne mapy natężenia autofluorescencji istotnie poprawiły skuteczność biopsji wykonywanych w celu pobrania wycinków tkankowych do badań histopatologicznych w porównaniu z tradycyjnym obrazowaniem opartym na emisji fluorescencji oraz z tradycyjnym obrazowaniem endoskopowym w świetle białym. Rozszerzenie obrazowania autofluorescencyjnego o przekształcenia przestrzenne natężenia autofluorescencji istotnie zmniejszyło również odsetek uzyskiwanych wyników fałszywie ujemnych.