АНАЛІЗ ВИКОРИСТАННЯ МЕТОДІВ СУЧАСНОЇ МІКРОСКОПІЇ IN VIVO ДЛЯ ДІАГНОСТИКИ ТА ЛІКУВАННЯ ЗЛОЯКІСНИХ НОВОУТВОРЕНЬ

Є. А. Крючина; А. А. Крючин

doi:10.11603/mie.1996-1960.2023.1-2.13956

Автор(и)

Є. А. Крючина Медичний центр «CONSILIUM MEDICAL»
А. А. Крючин Інститут проблем реєстрації інформації НАН України https://orcid.org/0000-0002-5063-4146

DOI:

https://doi.org/10.11603/mie.1996-1960.2023.1-2.13956

Ключові слова:

прижиттєва мікроскопія, злоякісні новоутворення, діагностика, лікування

Анотація

Ендоскопічна оптична мікроскопія in vivo надає інструмент для оцінювання архітектури та морфології тканини, що подібні до стандартного гістологічного дослідження, без необхідності видалення тканини. У цій статті автори зосередились на технологіях оптичного зображення in vivo, що мають потужний потенціал для суттєвого покращення діагностики та терапії злоякісних пухлин, а саме флуоресцентної конфокальної мікроскопії, оптичної когерентної томографії, мікроскопії світлового листа, двофотонної та високороздільної мікроскопії, атомно-силової мікроскопії, електронної мікроскопії тощо. Досліджено технологічні принципи, доклінічні та клінічні дослідження, що аналізують чутливість та специфічність зазначених методів у діагностиці та лікуванні різних варіантів злоякісних новоутворень, методи комп'ютерного оброблення зображень, обговорено перспективи вдосконалення зазначених технологій, подальші перспективи для розроблення новітніх оптичних пристроїв для діагностики та лікування злоякісних пухлин.

Посилання

Gryvkova, L. V., Zotov, О. S. Metodyky diahnostyky zloyakisnykh novoutvoren'. [Methods of diagnosis of malignant neoplasms]. - Режим доступу: https://compendium.com.ua/uk/tutorials-uk/onkologiya/rozdil-nbsp-4-metodi-diagnostiki-zloyakisnih-novoutvoren. [In Ukrainian].

Riesterer, J. L., Lopez, C. S., Stempinski, E. S., Williams, M. et al. (2020). A workflow for visualizing human cancer biopsies using large-format electron microscopy. Methods Cell Biol, 158, 163-181. DOI: https://doi.org/10.1016/bs.mcb.2020.01.005

U, A. D., Mazumder, N. (2018). Types of advanced optical microscopy techniques for breast cancer research: a review. Lasers Med Sci., 33 (9), 1849-1858. DOI: https://doi.org/10.1007/s10103-018-2659-6

Perrin, L., Bayarmagnai, B., Gligorijevic, B. (2020). Frontiers in intravital multiphoton microscopy of cancer. Cancer Rep (Hoboken), 3 (1), e1192. DOI: https://doi.org/10.1002/cnr2.1192

Kapsokalyvas, D., J van Zandvoort, M. A. M. (2020). Molecular Imaging in Oncology: Advanced Microscopy Techniques. Recent Results Cancer Res., 216, 533-561. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-42618-7_16

Bishop, K. W., Maitland, K. C., Rajadhyaksha, M. et al. (2022). In vivo microscopy as an adjunctive tool to guide detection, diagnosis, and treatment. J Biomed Opt., 27 (4), 040601. DOI: https://doi.org/10.1117/1.JBO.27.4.040601

Giampetraglia, M., Weigelin, B. (2021). Recent advances in intravital microscopy for preclinical research. Curr Opin Chem Biol., 63, 200-208. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2021.05.010

Trumbull D. A., Lemini R., Bagaria S. P., Elli E. F., Colibaseanu D. T. et al. (2020). Intravital Microscopy (IVM) in Human Solid Tumors: Novel Protocol to Examine Tumor-Associated Vessels. JMIR Res Protoc., 9 (10), e15677. DOI: https://doi.org/10.2196/15677

Si P., Honkala A., de la Zerda A., Smith B. R. (2020). Optical microscopy and coherence tomography of cancer in living subjects. Trends in Cancer, 6 (3), 205-222. DOI: https://doi.org/10.1016/j.trecan.2020.01.008

Nandi T., Ainavarapu S. R. K. (2021). Applications of atomic force microscopy in modern biology. Emerg Top Life Sci., 5 (1), 103-111. DOI: https://doi.org/10.1042/ETLS20200255

Liu Y., Xu J. (2019). High-resolution microscopy for imaging cancer pathobiology. Curr Pathobiol Rep., 7 (3), 85-96. DOI: https://doi.org/10.1007/s40139-019-00201-w

Glaser A., Reder N., Chen Y. et al. (2017). Light-sheet microscopy for slide-free non-destructive pathology of large clinical specimens. Nat Biomed Eng., 1 (7), 0084. DOI: https://doi.org/10.1038/s41551-017-0084

Petrov, V. V., Kryuchyn, A. A., Belyak, E. V., Lapchuk, A. S. (2016). Multi-photon microscopy and optical recording. Akademperiodika. [In Ukrainian]. DOI: https://doi.org/10.15407/akademperiodyka.311.156

Belykh E. G., Zhao X., Cavallo C., Bohl M. A. et al. (2018). Laboratory evaluation of a robotic operative microscope-visualization platform for neurosurgery. Cureus, 10 (7), e3072. DOI: https://doi.org/10.7759/cureus.3072

Jayadev C., Dabir S., Vinekar A., Shah U. et al. (2015). Microscope-integrated optical coherence tomography: a new surgical tool in vitreoretinal surgery. Indian Journal of Ophthalmology, 63 (5), 399. DOI: https://doi.org/10.4103/0301-4738.159865

Kamp, M. A., Slotty, P., Turowski, B., Etminan, N. et al. (2012). Microscope-integrated quantitative analysis of intraoperative indocyanine green fluorescence angiography for blood flow assessment: first experience in 30 patients. Neurosurgery, 70 (1), 65-73. DOI: https://doi.org/10.1227/NEU.0b013e31822f7d7c

Gaustad, J. V., Simonsen, T. G., Hansem, L. M. K., Rofstad, E. K. (2021). Intravital microscopyof tumor vessel morphology and function using a standard fluorescence microscope. Eur J Nucl Med Mol Imaging, 48 (10), 3089-3100. DOI: https://doi.org/10.1007/s00259-021-05243-0

Umebayashi, D. et al. (2018). Augmented reality visualization-guided microscopic spine surgery: transvertebral anterior cervical foraminotomy and posterior foraminotomy. J. Am. Acad. Orthop. Surg. Glob. Res. Rev., 2 (4), e008. DOI: https://doi.org/10.5435/JAAOSGlobal-D-17-00008

Lee, J., Wijesinghe, R. E., Jeon, D., Kim, P. et al. (2018). Clinical utility of intraoperative tympanomastoidectomy assessment using a surgical microscope integrated with an optical coherence tomography. Scientific Reports, 8 (1), 1-8. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-018-35563-5

Carrasco-Zevallos, O. M., Viehland, C., Keller, B., Draelos, M. et al. (2017). Review of intraoperative optical coherence tomography: technology and applications. Biomedical Optics Express, 8 (3), 1607-1637. DOI: https://doi.org/10.1364/BOE.8.001607

Boppart, S. A., Luo, W., Marks, D. L., Singletary, K. W. (2004). Optical coherence tomography: feasibility for basic research and image-guided surgery of breast cancer. Breast Cancer Research and Treatment, 84 (2), 85-97. DOI: https://doi.org/10.1023/B:BREA.0000018401.13609.54

Bouma B. E., de Boer J. F., Huang D., Jang I. K. et al. (2022). Optical coherence tomography. Nat Rev Methods Primers, 2, 79. DOI: https://doi.org/10.1038/s43586-022-00162-2

Wang, A., Qi, W., Gao, T., Tang, X. (2022). Molecular contrast optical coherence tomography and its applications in medicine. Int J Mol Sci., 23 (6), 3038. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms23063038

Lee, C., Lee, D., Zhou, Q., Kim, J., Kim, C. (2015). Virtual intraoperative surgical photoacoustic microscopy. In European Conference on Biomedical Optics 2015, 21-25 June 2015, Munich, Germany. Proc. SPIE, 9539, 95390E. DOI: https://doi.org/10.1364/ECBO.2015.95390E

Aguirre J., Morales-Dalmau J., Funk L., Jara F., Turon P., Durduran T. (2014). The potential of photoacoustic microscopy as a tool to characterize the in vivo degradation of surgical sutures. Biomedical Optics Express, 5 (8), 2856-2869. DOI: https://doi.org/10.1364/BOE.5.002856

Hu, S., Wang, L. V. (2010). Photoacoustic imaging and characterization of the microvasculature. J. Biomed. Opt., 15 (1), 011101. DOI: https://doi.org/10.1117/1.3281673

Heeman, W., Steenbergen, W., van Dam, G. M., Boerma, E. C. (2019). Clinical applicationsof laser speckle contrast imaging: a review. Journal of Biomedical Optics., 24 (8), 080901. DOI: https://doi.org/10.1117/1.JBO.24.8.080901

Briers, D., Duncan, D. D., Hirst, E. R., Kirkpatrick, S. J. et al. (2013). Laser speckle contrast imaging: theoretical and practical limitations. Journal of Biomedical Optics, 18 (6), 066018. DOI: https://doi.org/10.1117/1.JBO.18.6.066018

Senarathna, J., Rege, A., Li, N., Thakor, N. V. (2013). Laser speckle contrast imaging: theory, instrumentation and applications. IEEE Reviews in Biomedical Engineering, 6, 99-110. DOI: https://doi.org/10.1109/RBME.2013.2243140

Lapchuk, A., Pashkevich, G. A., Prygun, O. V., Yurlov, V., Borodin, Y., Kryuchyn, A. (2015). Experiment evaluation of speckle suppression efficiency of 2D quasi-spiral M-sequence-based diffractive optical element. Applied Optics, 54 (28), E47-E54. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.54.000E47

Bogomolov, M. F., Puzyk, M. Yu. (2020). Lazernyy spekl-kontrastnyy analiz dlya doslidzhennya mikrotsyrkulyatsiyi v sudynakh. [Laser speckle-contrast analysis for the study of microcirculation in vessels]. Biomedychna inzheneriya i tekhnolohiya. [Biomedical engineering and technology], 4, 114-121.

Chen, P. H. C., Gadepalli, K., MacDonald, R. et al. (2019). An augmented reality microscope with real-time artificial intelligence integration for cancer diagnosis. Nat Med., 25, 1453-1457. DOI: https://doi.org/10.1038/s41591-019-0539-7

Ettinger, A., Wittmann, T. (2014). Fluorescence live cell imaging. Methods Cell Biol., 123, 77-94. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-420138-5.00005-7

Fluorescence Microscopy & Cell Imaging. URL: https://unmhealth.org/cancer/research/shared-resources/microscopy.html.

Murphy, J. Understanding cancer's genetic makeup could halt its spread. URL: https://www.laserfocusworld.com/biooptics/article/14286424/understanding-cancers-genetic-makeup-could-halt-its-spread.

Seferbekova, Z., Lomakin, A., Yates, L. R., Gerstung, M. (2023). Spatial biology of cancer evolution. Nat Rev Genet, 24 (5), 295-313. DOI: https://doi.org/10.1038/s41576-022-00553-x

Lomakin, A., Svedlund, J., Strell, C. et al. (2022). Spatial genomics maps the structure, nature and evolution of cancer clones. Nature, 611, 594-602. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05425-2

Lekka, M. Philos, Trans, A. (2022). Applicability of atomic force microscopy to determine cancer-related changes in cells. Math Phys Eng Sci., 380 (2232), 0346. DOI: https://doi.org/10.1098/rsta.2021.0346

Binnig, G., Quate, C. F., Gerber, C. (1986). Atomic force microscope. Phys Rev Lett., 56 (9), 930-933. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.56.930

Deng, X., Xiong, F., Li, X. et al. (2018). Application of atomic force microscopy in cancer research. J Nanobiotechnol., 16. URL: https://jnanobiotechnology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12951-018-0428-0. DOI: https://doi.org/10.1186/s12951-018-0428-0

Calzado-Martrn, A., Encinar, M., Tamayo, J., Calleja, M., San Paulo, A. (2016). Effect of Actin Organization on the Stiffness of Living Breast Cancer Cells Revealed by Peak-Force Modulation Atomic Force Microscopy. ACS Nano, 10 (3), 3365-3374. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5b07162

Alibert, C., Goud, B., Manneville, J. B. (2017). Are cancer cells really softer than normal cells? Biol Cell., 109 (5), 167-189. DOI: https://doi.org/10.1111/boc.201600078

Kwon, T., Gunasekaran, S., Eom, K. (2019). Atomic force microscopy-based cancer diagnosis by detecting cancer-specific biomolecules and cells. Biochim Biophys Acta Rev Cancer, 1871 (2), 367-378. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbcan.2019.03.002

Yin, A. K., Glaser, S. Y., Leigh, Y., Chen, L. et al. (2016). Miniature in vivo MEMS-based line-scanned dual-axis confocal microscope for point-of-care pathology. Biomed. Opt. Express, 7 (2), 251-263. DOI: https://doi.org/10.1364/BOE.7.000251

Brogan, C. (2022). Researchers trial tiny new microscope to detect breast cancer. URL: https://www.imperial.ac.uk/news/241095/researchers-trial-tiny-microscope-detect-breast.

Ragazzi, M., Piana, S., Longo, C., Castagnetti, F. et al. (2014). Fluorescence confocal microscopy for pathologists. Mod Pathol., 27 (3), 460-471. DOI: https://doi.org/10.1038/modpathol.2013.158

Mittal, S., Yeh, K., Leslie, L. S., Kenkel, S. et al. (2018). Simultaneous cancer and tumor microenvironment subtyping using confocal infrared microscopy for all-digital molecular histopathology. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115 (25), E5651-E5660.48. Ma, L., Fei, B. (2021). Comprehensive review of surgical microscopes: technology development and medical applications. J Biomed Opt., 26 (1), 010901. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1719551115

Babes, L., Yipp, B. G., Senger, D. L. (2023). Intravital microscopy of the metastatic pulmonary environment. Methods Mol Biol., 2614, 383-396. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2914-7_23

Entenberg, D., Oktay, M. H., Condeelis, J. S. (2023). Intravital imaging to study cancer progression and metastasis. Nat Rev Cancer, 23 (1), 25-42. DOI: https://doi.org/10.1038/s41568-022-00527-5

Meng, X., Chen, J., Zhang, Z., Li, K. et al. (2021). Non-invasive optical methods for melanoma diagnosis. Photodiagnosis Photodyn Ther., 34, 3102266. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2021.102266

Zbiral, B., Weber, A., Toca-Herrera, J. L. (2022). Measuring mechanical properties of breast cancer cells with atomic force microscopy. Methods Mol Biol., 2471, 323-343. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2193-6_19

Liu, J. J., Droller, M. J., Liao, J. C. (2012). New optical imaging technologies for bladder cancer: considerations and perspectives. J Urol., 188 (2), 361-368. DOI: https://doi.org/10.1016/j.juro.2012.03.127

Sato, T., Miura, T., Nozaka, H., Katayama, Y. (2007). Progression in diagnostic pathology development of virtual microscopy and its applications. Rinsho Byori, 55 (4), 344-350.

Kumar, R., Srivastava, R., Srivastava, S. (2015). Detection and classification of cancer from microscopic biopsy images using clinically significant and biologically-interpretable features. J Med Eng., 457906. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4782618/. DOI: https://doi.org/10.1155/2015/457906