CC BY
175
УДК 616-091.8
Авраамова С.Т.*, Александров Н.С. Бабичева Т.О.***, Кукушкин В.И.**** Кириллов Ю.А.***
Ю.А. Кириллов
В.И. Кукушкин
Возможности применения рамановской спектроскопии
в онкоурологии
Авраамова София Тариэловна, ассистент кафедры патологической анатомии им. академика А.И. Струкова ФГБОУ ВО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России» ORCID ID https://orcid.org/0000-0001-9704-5915 E-mail: sofya-t-avraamova@j-spacetime.com; Studenechek@mail.ru
"Александров Николай Сергеевич, ассистент кафедры патологической анатомии им. академика А.И. Струкова ФГБОУ ВО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России ORCID ID https://orcid.org/0000-0003-2104-5307 E-mail: nikolay-s-aleksandrov@j-spacetime.com; dr.klauss@mail.ru
'Бабичева Татьяна Олеговна, студентка 4 курса лечебного факультета ФГБОУ ВО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России» ORCID ID https://orcid.org/0000-0002-5922-3378
E-mail: tatiana-o-babicheva@j-spacetime.com; tanyababicheva1995@mail.ru
''''Кукушкин Владимир Игоревич, младший научный сотрудник лаборатории неравновесных электронных процессов Института физики твердого тела РАН, Москва ORCID ID https://orcid.org/0000-0002-1329-5202 E-mail: vladimir-i-kukushkin@j-spacetime.com; kukushvi@mail.ru
'''''Кириллов Юрий Александрович, доктор медицинских наук, профессор кафедры патологической анатомии им. академика А.И. Струкова ФГБОУ ВО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России»
ORCID ID https://orcid.org/0000-0001-7291-9663
E-mail: yuri-a-kirillov@j-spacetime.com; youri_kirillov@mail.ru
Рамановская спектроскопия (РС) является физическим методом, который позволяет с высокой специфичностью и в режиме реального времени исследовать биологические объекты. В связи с растущим потенциалом этого метода исследования в клинической практике, в настоящей работе мы представляем обзор клинических исследований с использованием рамановской спектроскопии в онкоурологии.
Ключевые слова: рамановская спектроскопия; спектральные характеристики; диагностика; онкоурология; «оптическая биопсия».
Введение
Впервые эффект комбинационного рассеяния света (рамановского рассеяния света) был открыт индийскими учёными Ч.В. Раманом и К.С. Кришнаном в 1928 г.1. Принцип метода заключается в том, что при падении монохроматического пучка света определенной длины волны на образец исследуемой ткани, в последней возникают различные моды (сдвиги) колебательных или вращательных возбуждений молекул с характерными частотами, что приводит к появлению новых линий в спектре рассеянного света2. Каждое вещество, входящее в состав тканей, характеризуется набором рамановских линий с индивидуальным спектральным положением и постоянными относительными интенсивностями3. Именно этот набор спектральных характеристик дает возможность говорить о, так называемом, рамановском «отпечатке пальцев» этих молекул и позволяет проводить регистрацию изменений клеточного метаболизма по интенсивности их рассеяния. Еще каких-то 20 лет назад стандартная установка для исследования рамановского рассеяния обычно включала в себя мощный лазер, тройной спектрометр и охлаждаемый матричный фотодетектор4. Высокая стоимость таких установок и их большие размеры препятствовали широкому применению рамановско-го метода для экспресс-анализа объектов медицинского назначения. В последние годы ситуация на рынке научных приборов радикально изменилась, что позволило значительно уменьшить и удешевить все компоненты рамановской установки. Для анализа in vivo применяется гибкий ультратонкий волоконно-оптический кабель, встраиваемый в стандартную иглу, предназначенную для проведения пункционной биопсии5.
Рамановская спектроскопия (РС) имеет значительные преимущества по сравнению с другими диагностическими технологиями. Важнейшими из них являются простота пробоподготовки и больший объем получаемой информации. Рамановская спектроскопия относится к технологиям, основанным на рассеянии света, поэтому все, что требуется для сбора спектра - это направить падающий луч точно на образец, а затем собрать рассеянный свет. Данный вид исследования тканей не требует специальной подготовки образца и нечувствителен к полосам поглощения, так как рамановский эффект наблюдается в рассеянном свете от образца, а не в спектре поглощения. Это свойство рамановской спектроскопии облегчает процесс непосредственного измерения как в твердых образцах, так и жидких и газообразных средах 6.
В связи с растущим потенциалом использования этого метода исследования в клинической практике, в настоящей работе нами предприняты попытки обобщить имеющийся опыт применения РС в онкоурологии.
Применение рамановской спектроскопии в диагностике новообразований предстательной железы
Впервые, рамановскую спектроскопию в качестве метода дифференциальной диагностики доброкачественной гиперплазии предстательной железы (ДГПЖ) и аденокарциномы предстательной железы (ПЖ), предложили P. Crow с соавт. (2003), отметив существенные изменения в соотношении концентрации гликогена и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в тканях с доброкачественной гиперплазией и аденокарциномой предстательной железы. Так, при раке ПЖ было отмечено снижение интенсивности рамановского рассеяния света гликогеном и увеличение интенсивности раманов-ского рассеяния света ДНК, и обратная зависимость их спектральных характеристик в тканях с ДГПЖ7. В 2005 г. теми же авторами было проведено исследование выделенных у человека культур клеток рака простаты, выделенных у человека с высокой (DU145) и низкой (MDApca2b) степенью
'. Raman C.V., Krishnan K.S. "A New Type of Secondary Radiation." Nature. 121 (1928): 501-502.
2 Александров М.Т., Зубов С.В., Березинская А.С., Кукушкин В.И., Пашков Е.П., Иванченко О.Н. Экспериментально-теоретическое обоснование принципов и особенностей применения метода лазерно-конверсионной диагностики для оценки состояния твердых тканей зуба в норме и при патологии (кариес) // Российский стоматологический журнал. 2013. № 4. С. 6-10.
3 Crow P., Stone N., Kendall C.A., Persad R.A, Wright M.P. "Optical Diagnostics in Urology: Current Applications and Future Prospects." BJUInt. 92 (2003):400-407. DOI: 10.1046/j.1464-410X.2003.04368.x.
4 Рогаткин Д.А. Лазерная клиническая диагностика как одно из перспективных направлений биомедицинской радиоэлектроники // Биомедицинская радиоэлектроника. 1998. № 3. С. 34-36.
5 Evers D.J, Hendriks B.H.W., Lucassen G.W., Ruers T.J.N. "Optical Spectroscopy: Current Advances and Future Applications in Cancer Diagnostics And Therapy." Future Oncol. 8.3 (2012):307-309.
6 Pence I., Mahadevan-Jansen A. "Clinical Instrumentation and Applications of Raman Spectroscopy." Chemical Society Reviews 45.7 (2016): 1958-1979. DOI: 10.1039/c5cs00581g.
7 Crow P., Stone N., Kendall C.A., Uff J.S., Farmer J.A., Barr H., Wright M.P. "The Use of Raman Spectroscopy to Identify and Grade Prostatic Adenocarcinoma In Vitro." Br J Cancer. 89 (2003):106-108. DOI: 10.1038/sj.bjc.6601059.
дифференцировки1. Целью работы явилось подтверждение изменений концентрации гликогена и нуклеиновых кислот на разных стадиях развития РПЖ, основываясь на интенсивности рамановского рассеяния этих веществ в каждом случае. Это исследование не только подтвердило закономерность, установленную в более ранних работах, но и позволило идеально идентифицировать каждую клеточную линию согласно полученным спектрам.
Следующим этапом стало изучение спектральных характеристик тканей ПЖ при доброкачественной гиперплазии, простатической интраэпителиальной неоплазии (ПИН) высокой степени и раке предстательной железы. Рамановские пики с различными значениями интенсивности позволили идентифицировать ДНК и триптофан в каждой из групп. Совпадение диагноза, установленного на основании анализа спектральных характеристик рамановского рассеяния с патологоанатомиче-ским заключением, в случаях с доброкачественной гиперплазией составило 86%, в случаях с ПИН высокой степени и раком предстательной железы - 95,8% и 96,6%, соответственно2.
Применение рамановской спектроскопии в диагностике новообразований почки
В единичных работах, посвященных использованию рамановской спектроскопии в диагностике рака почки, исследователи, в качестве отличительных особенностей светлоклеточного варианта по-чечноклеточного рака, отмечают усиленную интенсивность рамановского рассеяния света молекулами фенилаланина3, что, по их мнению, дает основание отнести его к группе опухолевых маркеров4.
Применение спектрометров с высокими разрешающими характеристиками позволило выявить изменения интенсивности рамановского рассеяния света молекулами нуклеиновых кислот в ткани опухоли по сравнению с сохранной тканью почки, а также зарегистрировать существенные различия в интенсивности рамановского рассеяния в опухолях различной степени зрелости. Кроме того, в ряде случаев применение рамановской спектроскопии позволило не только идентифицировать отдельные аминокислоты (тирозин, триптофан) по интенсивности рамановского рассеяния света, но и выделить характерные для них диапазоны в качестве ключевых диагностических критериев5. Так, группой ученых S. Stewart с соавт. (2014) было отмечено гораздо более высокие значения интенсивности ра-мановского рассеяния света молекулами фенилаланина, тирозина и триптофана в случаях хромофоб-ного варианта почечно-клеточного рака в сравнении с онкоцитомой почки6.
Применение рамановской спектроскопии в диагностике новообразований мочевого пузыря
Впервые о применении РС на биообъектах, полученных при биопсии мочевого пузыря, сообщили B.W. de Jong с соавт. (2002), отметив способность дифференцировать слои слизистой оболочки
7
мочевого пузыря .
Использование РС с целью идентификации уротелиальной карциномы in vivo впервые было описано в исследовании R.O. Draga с соавт. (2010), в результате которой была установлена прямая зависимость между степенью дифференцировки опухоли и увеличением интенсивности рамановского рассеяния света молекулами ДНК, при этом показатели чувствительности и специфичности метода составили 85% и 79%, соответственно8.
Помимо применения РС на образцах ткани мочевого пузыря, метод успешно используется для диагностики уротелиальной карциномы при исследовании осадка мочи, полученного от пациентов с этой патологией. С помощью математического моделирования в сочетании с РС диагностическая
1 Crow P., Barrass B., Kendall C., Hart-Prieto M., Wright M. "The Use of Raman Spectroscopy to Differentiate between Different Prostatic Adenocarcinoma Cell Lines." Br J Cancer. 92.12 (2005): 2166-2170. DOI: 10.1038/sj.bjc.6602638.
2 Devpura S., Thakur J.S., Sarkar F.H., Sakr W.A., Naik V.M., Naik R. "Detection of Benign Epithelia, Prostatic Intraepithelial Neoplasia, and Cancer Regions in Radical Prostatectomy Tissues Using Raman Spectroscopy." Vibrational Spectroscopy 53 (2010):227-232. DOI: 10.1016/j.vibspec.2010.03.009.
3 Huang E.Y.-H., Chu S.C., Chen H.G., Chang W.Y.H., Kuo Y.J., Pan C.C., Chiu A.W., Lin A.T., Chiang H.K. "Raman Spectral Analysis of Renal Tissue: A Novel Application." Journal of Raman Spectroscopy 45.9 (2014): 788-793. DOI: 10.1002/jrs.4546.
4 Huang E.Y.H., Liao Y.H., Lin A.T., Chiang H.K. Discrimination of Renal Cell Carcinoma from Normal Renal Parenchyma Using Raman Spectroscopy. Journal of Urology 187.4 (2012): e398.
5 Mert S., Ozbek E., Otunctemur A., Culha M. "Kidney Tumor Staging Using Surface-Enhanced Raman Scattering." Journal of Biomedical Optics 20.4 (2015): 47002-47009.
6 Stewart S., Kirschner H., Treado P.J., Priore R. "Distinguishing between Renal Oncocytoma and Hromophobe Renal Cell Carcinoma Using Raman Molecular Imaging." J. Raman Spectrosc. 45 (2014): 274-280. DOI: 10.1002/jrs.4460.
7 de Jong B.W., Schut T.C., Maquelin K., van der Kwast T., Bangma C.H., Kok D.J., Puppels G.J. "Discrimination between Nontumor Bladder Tissue and Tumor by Raman Spectroscopy." Anal. Chem. 78 (2006): 7761-7769. DOI: 10.1021/ac061417b.
8 Draga R.O., Grimbergen M.C., Vijverberg P.L., van Swol C.F., Jonges T.G., Kummer J.A., Ruud Bosch J.L. "In Vivo Bladder Cancer Diagnosis by High-volume Raman Spectroscopy." Anal. Chem. 82 (2010): 5993-5999. DOI: 10.1021/ac100448p.
точность установления степени злокачественности опухоли отмечалась в 88% в случаях низкодиф-ференцированных образцов и 98,6% - с высокой степенью дифференцировки1.
Заключение
Рамановская спектроскопия является ценным и уникальным методом, используемым для диагностики опухолей мочеполовой системы различной локализации. Использование волоконно-оптических датчиков в конструкции лапароскопов, цистоскопов, пункционных игл и т.п. позволило на до-операционном этапе с высокой точностью не только диагностировать новообразование, но и определить объем хирургического вмешательства. Обладая значительными преимуществами в виде высокой специфичности, проведением измерений в режиме реального времени, отсутствием противопоказаний, по сравнению с традиционными технологиями диагностики опухолей мочеполовой системы, РС имеет серьезные перспективы использования метода в качестве «оптической биопсии».
ЛИТЕРАТУРА
1. Александров М.Т., Зубов С.В., Березинская А.С., Кукушкин В.И., Пашков Е.П., Иванченко О.Н. Экспериментально-
теоретическое обоснование принципов и особенностей применения метода лазерно-конверсионной диагностики для оценки состояния твердых тканей зуба в норме и при патологии (кариес) // Российский стоматологический журнал. 2013. № 4. С. 6-10.
2. Рогаткин Д.А. Лазерная клиническая диагностика как одно из перспективных направлений биомедицинской радиоэлек-
троники // Биомедицинская радиоэлектроника. 1998. № 3. С. 34-36.
3. Crow P., Barrass B., Kendall C., Hart-Prieto M., Wright M. "The Use of Raman Spectroscopy to Differentiate between Different
Prostatic Adenocarcinoma Cell Lines." Br J Cancer. 92.12 (2005): 2166-2170. DOI: 10.1038/sj.bjc.6602638.
4. Crow P., Stone N., Kendall C.A., Persad R.A, Wright M.P. "Optical Diagnostics in Urology: Current Applications and Future
Prospects." BJUInt. 92 (2003):400-407. DOI: 10.1046/j.1464-410X.2003.04368.x.
5. Crow P., Stone N., Kendall C.A., Uff J.S., Farmer J.A., Barr H., Wright M.P. "The Use of Raman Spectroscopy to Identify and
Grade Prostatic Adenocarcinoma In Vitro." Br J Cancer. 89 (2003):106-108. DOI: 10.1038/sj.bjc.6601059.
6. de Jong B.W., Schut T.C., Maquelin K., van der Kwast T., Bangma C.H., Kok D.J., Puppels G.J. "Discrimination between Non-
tumor Bladder Tissue and Tumor by Raman Spectroscopy." Anal. Chem. 78 (2006): 7761-7769. DOI: 10.1021/ac061417b.
7. Devpura S., Thakur J.S., Sarkar F.H., Sakr W.A., Naik V.M., Naik R. "Detection of Benign Epithelia, Prostatic Intraepithelial
Neoplasia, and Cancer Regions in Radical Prostatectomy Tissues Using Raman Spectroscopy." Vibrational Spectroscopy 53 (2010):227-232. DOI: 10.1016/j.vibspec.2010.03.009.
8. Draga R.O., Grimbergen M.C., Vijverberg P.L., van Swol C.F., Jonges T.G., Kummer J.A., Ruud Bosch J.L. "In Vivo Bladder
Cancer Diagnosis by High-volume Raman Spectroscopy." Anal. Chem. 82 (2010): 5993-5999. DOI: 10.1021/ac100448p.
9. Evers D.J, Hendriks B.H.W., Lucassen G.W., Ruers T.J.N. "Optical Spectroscopy: Current Advances and Future Applications in
Cancer Diagnostics And Therapy." Future Oncol. 8.3 (2012):307-309.
10. Huang E.Y.-H., Chu S.C., Chen H.G., Chang W.Y.H., Kuo Y.J., Pan C.C., Chiu A.W., Lin A.T., Chiang H.K. "Raman Spectral
Analysis of Renal Tissue: A Novel Application." Journal of Raman Spectroscopy 45.9 (2014): 788-793. DOI: 10.1002/jrs.4546.
11. Huang E.Y.H., Liao Y.H., Lin A.T., Chiang H.K. Discrimination of Renal Cell Carcinoma from Normal Renal Parenchyma Us-
ing Raman Spectroscopy. Journal of Urology 187.4 (2012): e398.
12. Mert S., Ozbek E., Otunctemur A., Culha M. "Kidney Tumor Staging Using Surface-Enhanced Raman Scattering." Journal of
Biomedical Optics 20.4 (2015): 47002-47009.
13. Pence I., Mahadevan-Jansen A. "Clinical Instrumentation and Applications of Raman Spectroscopy." Chemical Society Reviews
45.7 (2016): 1958-1979. DOI: 10.1039/c5cs00581g.
14. Raman C.V., Krishnan K.S. "A New Type of Secondary Radiation." Nature. 121 (1928): 501-502.
15. Shapiro A., Gofrit O.N., Pizov G., Cohen J.K., Maier J. "Raman Molecular Imaging: A Novel Spectroscopic Technique for Di-
agnosis of Bladder Cancer in Urine Specimens." Eur Urol. 59 (2011): 106-112. DOI: 10.1016/j.eururo.2010.10.027.
16. Stewart S., Kirschner H., Treado P.J., Priore R. "Distinguishing between Renal Oncocytoma and Hromophobe Renal Cell Carci-
noma Using Raman Molecular Imaging." J. Raman Spectrosc. 45 (2014): 274-280. DOI: 10.1002/jrs.4460.
Цитирование по ГОСТ Р 7.0.11—2011:
Авраамова, С. Т., Александров, Н. С., Бабичева, Т. О., Кукушкин, В. И., Кириллов, Ю. А. Возможности применения рамановской спектроскопии в онкоурологии / С.Т. Авраамова, Н.С. Александров, Т.О. Бабичева, В.И. Кукушкин, Ю.А. Кириллов // Пространство и Время. — 2017. — № 1(27). — С. 247—250. Стационарный сетевой адрес: 2226-7271provr_st1-27.2017.102.
1 Shapiro A., Gofrit O.N., Pizov G., Cohen J.K., Maier J. "Raman Molecular Imaging: A Novel Spectroscopic Technique for Diagnosis of Bladder Cancer in Urine Specimens." Eur. Urol. 59 (2011): 106-112. DOI: 10.1016/j.eururo.2010.10.027.
