ОКТ-мониторинг фотодинамической терапии

УДК 616-073.756.8:615.831

I.A. Yanvareva1, Y.A. Streltsova1, R.R. Kalugina1, S.V Gamayunov1, V.V.Slugarev24, A.N. Denisenko24, I.A. Kuznetsova34, N.M. Shakhova1,4

OCT-MONITORING OF PDT

Nizhny Novgorod State Medical Academy 2Nizhny Novgorod Regional Oncologic Dispensary 3Regional Clinical hospital named after N.A. Semashko, Nizhny Novgorod 4Institute of Applied Physics of Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod

ABSTRACT

The goal of the research was the elaboration of noninvasive OCT monitoring with photodynamic therapy. The examples of skin cancer and cervical neoplasia were used in this study. Photodynamic therapy has been conducted by standard schemes with photodi-tazine. For in vivo OCT control of tissue alterations under treatment conditions the OCT device (IAP RAS, N. Novgorod, Russia) has been used. The OCT capability to detect tumor structure alteration in real time under photodynamic therapy has been demonstrated. We conclude that the data obtained could be applied in clinical practice and experimental medicine.

Key words: optical coherent tomography, photodynamic therapy, photoditazine.

И.А. Январева1, Ю.А. Стрельцова1, P.P. Калугина1, C.B. Гамаюнов1, В.В. Слугарев2,4, А.Н. Денисенко2,4, И.А. Кузнецова3 4, Н.М. Шахова1,4

ОКТ-МОНИТОРИНГ ФОТОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ

1 Нижегородская государственная медицинская академия 2ГУЗ Областной онкологический диспансер, Нижний Новгород 3ГУЗНижегородская областная клиническая больница им.Н.А.Семашко, 4Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород

РЕЗЮМЕ

Цель данного исследования — разработка метода неинвазивного мониторинга фотодинамической терапии (ФДТ) с использованием оптической когерентной томографии (ОКТ). Работа выполнена на примерах рака кожи и неоплазии шейки матки. ФДТ проводилась по стандартным схемам: фотосенсибилизатор — фотодитазин. Для прижизненного динамического ОКТ контроля изменений, происходящих на фоне лечения, использован прибор, созданный в ИПФ РАН (Нижний Новгород). В результате показана возможность ОКТ регистрировать в реальном времени изменения структуры опухоли и окружающих тканей, происходящие при ФДТ. Полученная информация может быть использована в клинической практике (применение ОКТ в качестве метода контроля проводимого лечения), а также в экспериментальной медицине (оценка эффективности вновь разрабатываемых схем ФДТ).

Ключевые слова: оптическая когерентная томография, фотодинамическая терапия, фотодитазин.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных тенденций современной медицины является развитие органосохраняющих методов лечения, что обусловлено ростом числа онкологических заболеваний среди лиц молодого возраста [7]. Одним из таких методов является фотодинамическая терапия, эффективное использование которой позволяет надеяться на максимальный органосохраняющий и функциональный результат при адекватной онкологической эффективности [9; 15; 16]. Как успехи, так и ограничения в развитии ФДТ связаны прежде всего с внедрением новых фотосенсибилизаторов [8]. Для изучения эффективности метода очень важно иметь технологии, которые позволят проводить динамические наблюдения за процессами в живой системе, не оказывая на

нее дополнительного влияния. К таким методам относится бурно развиваемая в последние десятилетия оптическая когерентная томография (ОКТ). В настоящее время показана возможность с помощью ОКТ изучать изменения оптических свойств тканей, вызванные влиянием различных по природе патологических процессов, описаны ОКТ-критерии тканей человеческого организма в норме и патологии, сформулированы показания к использованию этого метода в ряде клинических дисциплин [4; 12].

ОКТ основана на интерферометрическом детектировании обратно рассеянного света ближнего инфракрасного (ИК) диапазона. Принцип ОКТ подобен В-скану ультразвука, но в отличие от ультразвуковой диагностики данные формируются благодаря различию оптических свойств (ко-

эффициент обратного рассеяния) внутритканевых слоев или структур. ОКТ позволяет получать информацию о внутренней структуре биотканей с разрешением на уровне тканевых слоев, что приближает эту технологию к реализации идеи неинвазивной оптической биопсии и делает перспективной для использования в ранней диагностике патологических процессов, сопровождаемых нарушением морфологии [1; 10]. Благодаря высокой разрешающей способности в сочетании с неинвазивностью, быстродействием и реальным временем получения информации ОКТ привлекательна и в качестве метода контроля различных видов лечения [3; 6].

Проведенные клинические исследования показывают высокую диагностическую эффективность ОКТ относительно распознавания состояния неоплазии [5]. В то же время в литературе рассматриваются вопросы необходимости совершенствования технологии. Одним из направлений ее дальнейшего развития является разработка поляризационно чувствительной ОКТ (ПЧ ОКТ), которая позволяет получать информацию не только о структуре ткани, но и о ее способности к деполяризации, что имеет большое диагностическое значение [13]. Одним из вариантов ПЧ ОКТ является кросс-поляризационная ОКТ (КП ОКТ), которая позволяет одновременно получать изображения объекта в прямой (стандартная и ОКТ) и ортогональной поляризации (с учетом поляризационной чувствительности) [2; 11].

Целью работы явилось создание метода неинвазивного мониторинга фотодинамической терапии (ФДТ) с использованием оптической когерентной томографии (ОКТ).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В исследовании приводятся результаты лечения методом ФДТ под контролем ОКТ 14 пациентов с неоплазией и фоновыми заболеваниями различных локализаций: базалио-ма и плоскоклеточный рак кожи, рак нижней губы, вирусный цервицит (CIN I), предрак (CIN II) и ранние формы рака (CIN III, cancer in situ) шейки матки. Критериями отбора для проведения ФДТ являлись «трудные» локализации, первично множественные опухоли и рецидивные состояния (при неэффективности других методов лечения). Исследование выполнялось с добровольного информированного согласия пациентов.

ФДТ проводилась с использованием лазерного излучателя Аткус-2 («Полупроводниковые приборы», Санкт-Петербург). Технические параметры: длина волны — 661 нм, доза от 150 до 300 Дж/см2, плотность мощности до 0,5 Вт/см2 в зависимости от размера опухоли, локализации, клинической ситуации (первичный или рецидивный рак).

В качестве фотосенсибилизатора применялся фотодитазин («Вета-Гранд», Москва) при системном введении (внутривенно 50 - 100 мг из расчета 0,75 - 1,5 мг на кг веса в 100 мл физиологического раствора, инфузия в течение 30 мин за 1 - 2 ч до процедуры ФДТ) или локальной аппликации (1 мл геля на 3 - 5 см2 обрабатываемой поверхности за 15 - 30 мин до светового воздействия).

Для прижизненного динамического контроля изменений опухоли и окружающих тканей, происходящих на фоне лечения, использованы стандартная и кросс-поляризационная ОКТ-установки, разработанные в ИПФ РАН (Н. Новгород) (рис. 1). Основные технические параметры установок: длина волны зондирующего излучения 1300 нм, мощность на

Рис.1. Общий вид ОКТ-установки

объекте около 1 мВт, глубина сканирования до 2 мм, разрешение по глубине 15 мкм, латеральное — 30 мкм, время получения изображения — 1 - 2 с, управление установкой, запись и демонстрация изображений производятся с помощью персонального компьютера в портативном варианте. Для получения изображений используется универсальный гибкий микрозонд (внешний диаметр 2,7 мм), состоящий из волоконно-оптического и электрического кабеля в гибкой трубке и сканера с системой линз на дистальном конце. Конструкция минизонда позволяет проводить его стерилизацию традиционными методами.

Приборы портативны (размеры в данной конфигурации не превышают 15 X 40 X 40 см, вес около 10 кг, все оптические и электронные части расположены внутри корпуса). Показатели мощности зондирующего излучения на объекте отвечают требованиям Санитарных норм и правилам устройства и эксплуатации лазеров № 5804 - 91 от 31.07.1991г. Установка сертифицирована, номер государственной регистрации 29/13010104/624-04.

Для реализации ФДТ-мониторинга ОКТ-исследование проводилось до лечения, непосредственно через 1 - 2 ч и 12

- 24 ч после лазерного воздействия, неоднократно в течение месяца после лечения и к моменту клинического выздоровления. Оптические данные верифицированы клинически и цитологически, при наличии показаний производилось гистологическое исследование.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Полученные результаты демонстрируют возможность ОКТ детектировать изменения, происходящие в опухоли и в окружающих тканях на фоне ФДТ (рис. 2-4).

На рис. 2, б показано ОКТ-изображение фокуса опухоли, на котором прослеживаются оптические неоднородности, связанные с наличием некроза, формированием в опухоли микрополостей, заполненных экссудатом (транссудатом). Рис. 2, в демонстрирует переход от опухоли к неизмененной слизистой: типичное для злокачественной опухоли бесструктурное изображение (слева) и выраженное упорядоченое чередование слоев (эпителий-строма) с четкой границей справа. Рис. 2, г практически однороден, лишь на периферии изображения справа удается получить

а б в г

Рис. 2. Фото и ОКТ-изображения опухоли (плоскоклеточный рак нижней губы) до ФДТ:

а — фото; б — ОКТ-изображение фокуса опухоли; в — ОКТ-изображение границы опухоли со слизистой оболочкой; г — ОКТ-изображение границы опухоли с кожей. Размеры ОКТ-изображений 1,5 X 1,2 мм.

а б в г

Рис. 3. Фото и ОКТ-изображения опухоли (плоскоклеточный рак нижней губы) через 24 ч после ФДТ: а — фото; б — ОКТ-изображение фокуса опухоли; в — ОКТ-изображение границы опухоли со слизистой оболочкой; г — ОКТ-изображение границы опухоли с кожей. Размеры ОКТ-изображений 1,5 X 1,2 мм.

а б в г

Рис. 4. Фото и ОКТ-изображения опухоли (плоскоклеточный рак нижней губы) через месяц после ФДТ: а — фото; б — ОКТ-изображение области фокуса опухоли; в — ОКТ-изображение области границы опухоли со слизистой оболочкой; г — ОКТ-изображение области границы опухоли с кожей. Размеры ОКТ-изображений 1,5 X 1,2 мм.

«слоистое» изображение, что соответствует границе опухоли с кожей.

Известно, что первой реакцией тканей на ФДТ является реактивное экссудативное воспаление. Полученные нами данные согласуются с этой информацией. Уже через сутки после процедуры ФДТ (введение фотосенсибилизатора фо-тодитазин в/в по стандартной схеме и проведение лазерного воздействия) отмечаются выраженные изменения как в фокусе опухоли, так и на ее периферии (рис. 3). В фокусе опухоли согласно оптическим данным (рис. 3, б) нарастают процессы экссудации, что выражается локальным снижением интенсивности ОКТ-сигнала (появление более темных участков), что является проявлением скопления жидкости.

В периферических отделах опухоли (рис. 3, в, г) также прослеживаются признаки, характерные для отека тканей: появление «темных» зон, стертость границы с неизмененными тканями.

Следующий этап ОКТ мониторинга проведен через месяц в стадии клинического заживления (рис. 4, а), когда в зоне локализации опухоли произошли выраженные изменения: формирование рубца в области фокуса опухоли с вовлечением в процесс склерозирования прилежащих тканей.

Необходимо отметить, что представленные на рис. 4 ОКТ-изображения трудно интерпретировать. Полученные нами данные отчетливо демонстрируют «доброкачественное» изображение в зоне границы со слизистой оболочкой

д е

Рис. 5. Фото и ОКТ-изображения опухоли (тяжелая дисплазия) шейки матки:

а, б —до ФДТ; в, г — через 12 ч после ФДТ; д, е — через месяц после ФДТ.

Размеры ОКТ-изображений 1,5 X 1,2 мм. Верхняя часть ОКТ-изображения — ортогональная поляризация, нижняя часть — прямая поляризация.

(рис. 4, в), но «сомнительные» данные в области, соответствующей фокусу опухоли и на границе с кожей (рис. 4, а, г). Это связано с тем, что процессы склерозирования значительно изменяют оптические свойства тканей, делая их сходными с неопластическими изменениями по признаку бесструктурности. В подобных ситуациях более информативной является КП ОКТ [2; 13], которую мы и применили в дальнейших исследованиях.

Нами применена методика мониторинга с использованием КП ОКТ фотодинамической терапии тяжелой дисплазии (CIN III) шейки матки (рис. 5). Кольпоскопические данные (рис. 5, а) демонстрируют наличие атипической кольпоскопической картины, морфологически верифицирована тяжелая дисплазия. С помощью КП ОКТ (рис. 5, б) была точно определена граница патологической зоны: в верхней части изображения прослеживается практически отсутствие сигнала слева (темная зона) с появлением достаточно интенсивного сигнала (светлая зона) справа, что на нижней части изображения соответствует «бесструктурно-сти» (слева) с переходом в горизонтально ориентированное

структурное изображение (справа). Полученные данные позволили точно спланировать зону лазерного воздействия с учетом истинной границы патологического участка. Через 12 ч после процедуры ФДТ кольпоскопически мы видим изменение цвета поверхности шейки матки: чередование участков гиперемии и цианоза, расширение поверхностно расположенных сосудов (рис. 5, в). ОКТ-данные (рис. 5, г) демонстрируют отсутствие сигнала в ортогональной поляризации (верхняя часть изображения) и появление темных включений с четкими контурами, соответствующих расширенным сосудам, в прямой поляризации (нижняя часть изображения). Подобные оптические данные характерны для острой фазы воспаления, которое является реактивным процессом в ответ на ФДТ. Через месяц стандартное коль-поскопическое исследование свидетельствует о завершении процесса заживления (рис. 5, д). Данные ОКТ подтверждают восстановление внутренней структуры шейки матки с появлением типичного для неизмененного экзоцервикса двухслойного изображения и в прямой, и в ортогональной поляризациях (рис. 5, е).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование показало, что ОКТ является информативным методом для проведения мониторинга ФДТ. Прежде всего, для органосохраняющего лечения в онкологии очень важно соблюдение правила адекватности удаления опухоли при минимальном повреждении окружающих тканей. Для этого на этапе планирования лечения необходимо знать точные границы опухоли. В настоящее время в клинической практике используется эндоскопия или микроскопия (кольпоскопия, дерматоскопия и т.д.), дающие информацию только о поверхности объекта. Известно, что такой подход позволяет точно установить границы опухоли лишь в 25 % случаев [14]. ОКТ может быть использована в качестве дополнительного метода к стандартной эндоскопии (микроскопии) как для оптимизации первичной диагностики, так и для планирования лечения, в том числе и ФДТ. В ходе лечения ОКТ позволяет неинвазивно следить за своевременностью и полноценностью патофизиологических и патоморфологических изменений, по показаниям провести их коррекцию. Наконец, в стадии заживления с использованием ОКТ можно оценивать эффективность проведенного лечения, а в отдаленном периоде проводить профилактические исследования с целью раннего выявления рецидивов.

Данный этап работы позволяет сделать лишь предварительные выводы, которые могут быть сформултрованы следующим образом:

• ОКТ способна детектировать изменения, происходящие в опухоли и окружающих тканях на фоне ФДТ;

• кросс-поляризационная ОКТ более информативна по сравнению со стандартной для использования в качестве мониторинга воздействия;

• в дальнейшем ОКТ-мониторинг может быть применен как в клинической практике на всех этапах ФДТ, так и в экспериментальных исследованиях при разработке новых видов фотосенсибилизаторов как дополнительная, а в некоторых ситуациях и альтернативная морфологическим исследованиям технология;

• для реализации ОКТ-мониторинга ФДТ в клинической

практике необходимо продолжить исследования с целью набора статистически достоверного материала;

• для внедрения ОКТ-мониторинга ФДТ в экспериментальную медицину необходимы исследования с использованием различных фотосенсибилизаторов, вариациями доз и способов введения препаратов, а также режимов лазерного воздействия.

Авторы выражают благодарность ООО «Вета-Гранд» (Москва) и ЗАО «Полупроводниковые приборы» (Санкт-Петербург) за сотрудничество и Федеральному агенству по науке и инновациям (госконтракт № 02.522.11.2002), РФФИ (грант 08-02-99049) и Программе Президиума РАН «Фундаментальные науки — медицине» за финансовую поддержку.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гладкова Н.Д., Загайнов В.Е., Загайнова и др. Пат. № 2169525 Способ диагностики in vivo патологической зоны в слоистой системе биологического органа эпителий-подлежащая соединительная ткань. (РФ),

2001. - Бюл. № 18.

2. Куранов Р.В., Сапожникова В.В., Шахова Н.М. и др., Комплексное применение оптических методов для повышения информативности оптической когерентной томографии в диагностике неопластических процессов // Квантовая электроника. - 2002. - 32(11).

- С. 993-998.

3. Петрова Г.А., Дерпалюк Е.Н., Гладкова Н.Д и др.. Возможности оптической когерентной томографии в дифференциальной диагностике и мониторинге заболеваний кожи // Вестник дерматологии и венерологии. - 2002. - 2. - С. 4-11.

4. Руководство по оптической когерентной томографии / Под ред. Н.Д. Гладковой, Н.М. Шаховой, А.М. Сергеева. - М.: Физматлит. Медицинская книга, 2007.

- 296 с.

5. Шахова Н.М. Клинико-экспериментальное обоснование применения оптической когерентной томографии в медицинской практике. Дис. ... докт. мед. наук. Н. Новгород, 2004. - 205 с.

6. Boppart S.A., Herrmann J.M., Pitris C. et. al HighResolution Optical Coherence Tomography-Guided Laser Ablation of Surgical Tissue // Journal of Surgical Research. - 1999. - 82(2). - P. 275-284.

7. Cancer management : a multidisciplinary approach, medical, surgical & radiation oncology. Pazdur R., Coia L.R., Hoskins W.J., Wagman L.D., editors. Melville, NY: PRR, 2002.

8. Dickson E.F.G., Goyan R.L., Pottier R.H. New directions in photodynamic therapy // Cellular and Molecular Biology. - 2003. - 48(8). - P. 939-954.

9. Dolmans D., Fukumura D., Jain R.K. Photodynamic therapy for cancer // Nature Reviews Cancer. - 2003. -3(5). - P. 380-387.

10. Fujimoto J.G., Pitris C., Boppart S.A. et al. Optical Cohernce Tomography, An Emerging Technology for Biomedical Imaging and Optical Biopsy // Neoplasi. -2000. - 2. - P. 9-25.

11. Gelikonov V M., Gelikonov G. V New approach to crosspolarized optical coherence tomography based on orthogonal arbitrarily polarized modes // Laser Physics Letters.

- 2006. -3(9). - P. 445-451.

12. Handbook of Optical Coherence Tomography. G.J. Tearney, Editor - New York, Basel: Marcel Dekker, Inc.,

2002. - P. 649-672.

13. Jacques S.L., Roman J.R., Lee K. Imaging superficial tissues with polarized light //Lasers Sur. Med. - 1999. - 26.

- P. 119-129.

14. Shami V.M., Waxman I. Endoscopic treatment of early gastroesophageal malignancy // Curr Opin Gastroenterol.

- 2002. - 18(5). - P. 587-594.

15. Vrouenraets M.B., Visser G.W.M., Snow G.B., van Dongen G.A.M.S. Basic principles, applications in oncology and improved selectivity of photodynamic therapy // Anticancer Research. - 2003. - 23. - P. 505-522.

16. Wilson B.C. Photodynamic therapy for cancer: Principles // Canadian Journal of Gastroenterology. - 2002. - 16(6).

- P. 393-396.

17. Поступила 01.07.2008.