biophBiomedical PhotonicsBiomedical Photonics2413-9432Non-profit partnership for development of domestic photodynamic therapy and photodiagnosisbioph-49Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESВозможности мультиспектральной аутофлюоресцентной визуализации злокачественных опухолейApplications of multispectral autofluorescence imaging of malignant tumorsПапаянГ. В.PapayanG. V.pgarry@mail.ruПетрищевН. Н.PetrishchevN. N.KimS. V.KimS. V.KimHyung HoKimHyung HoБерезинВ. Б.BerezinV. B.КангУкKangUkЦентр лазерной медицины Первого Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. акад. И.П. Павлова (ПСПбГМУ), г. Санкт-Петербург ФГБУ «Федеральный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова», г. Санкт-ПетербургРоссияCenter of Laser Medicine, First I.P. Pavlov Federal Medical University of St. Petersburg, St. Petersburg Federal Almazov Medical Research Centre, St. PetersburgRussian FederationSeoul National University Bundang Hospital (SNUH), Seoul, KoreaРоссияSeoul National University Bundang Hospital (SNUH), Seoul, KoreaRussian FederationKorea Electrotechnology Research Institute (KERI), Seoul, KoreaРоссияKorea Electrotechnology Research Institute (KERI), Seoul, KoreaRussian Federation20142012201434312Copyright © Папаян Г.В., Петрищев Н.Н., Kim S.V., Kim H., Березин В.Б., Канг У., 20142014Папаян Г.В., Петрищев Н.Н., Kim S.V., Kim H., Березин В.Б., Канг У.Papayan G.V., Petrishchev N.N., Kim S.V., Kim H., Berezin V.B., Kang U.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.pdt-journal.com/jour/article/view/49

В экспериментах in vitro и in vivo продемонстрированы возможности мультиспектральной аутофлюоресцентной визуализации злокачественных новообразований. На модели мышиной опухоли ТС-1 показано, что по специфическим особенностям аутофлюоресцентной картины можно однозначно идентифицировать место формирования опухоли уже через двое суток после введения опухолевых клеток. Среди наблюдаемых эффектов новым является необычайно активный процесс ангиогенеза на ранней стадии формирования новообразования, сопровождающийся появлением атипических сосудов извилистой формы со скоростью роста до 3 мм/сут. Показано, что наряду с одноволновым возбуждением, которое традиционно проводится в сине-фиолетовой области спектра, перспективным при аутофлюоресцетной диагностике является двухволновое возбуждение, при котором используют одновременное лазерное возбуждение на длине волны 390 нм и 635 нм. Этот способ возбуждения флюоресценции позволяет детектировать повышенное содержание протопрфирина IX даже на начальной стадии канцерогенеза. Показано, что флюоресценция, обусловленная активным синтезом протопорфирина IX, коррелирует с густотой расположения сосудов. Возрастание этой флюоресценции наблюдается также при асептическом воспалении, однако она носит диффузный характер, что позволяет отличать ее от локализованной картины флюоресценции в месте формирования опухоли. В эксперименте показана возможность успешного достижения высокого качества изображения при использовании мультиспектральной визуализации, а также оптимизации условий регистрации. На примере исследования операционного материала, полученного в клинических условиях, показаны возможности визуализации и количественной оценки аутофлюоресценции злокачественной ткани. Полученные результаты призваны помочь при разработке эндоскопических методов визуализации и аппаратуры для диагностики опухолей на ранней стадии роста.

 

The applications of multispectral autofluorescence imaging of malignant tumor was shown in in vitro and in vivo experiments. Using ТС-1 mouse tumor model it was demonstrated that the location of tumor formation can be clearly identified as early as 2 days after injection of tumor cells. Among observed effects the new one is an unusually active angiogenesis at early stage of tumor formation accompanied by atypical tortuous vessels with growth rate up to 3 mm/day. Two-wave excitation simultaneous laser with excitation on wavelength of 390 nm and 635 nm is shown to be promising for autofluorescence diagnosis along with single-wave excitation which is conventionally performed in the violet-blue region of the spectrum. This mode of excitation allows detecting the increased level of protoporphyrin IX even at early stage of carcinogenesis. The fluorescence due to active synthesis of protoporphyrin IX was shown to correlate with density of vessels. Increase of this fluorescence is observed also for aseptic inflammation but it has diffuse pattern which allows differentiating it from local fluorescence image at the site of tumor formation. The possibility of successful achievement of high-quality image using multispectral imaging and also optimization of registration settings were demonstrated in the experiment. The study of surgical specimen showed capabilities of imaging and measurement of autofluorescence in tumor tissue. The obtained results are intended to help in the development of endoscopic methods of imaging and devices for diagnosis of early tumors.

 

флюоресцентная диагностикааутофлюоресценциямультиспектральная видеосистемазлокачественные опухоли флюоресцентная диагностикааутофлюоресценциямультиспектральная видеосистемазлокачественные опухоли флюоресцентная диагностикааутофлюоресценциямультиспектральная видеосистемазлокачественные опухолиfluorescence diagnosisautofluorescencemultispectral video systemmalignant tumorReferencesPierce M.C., Javier D.J., Richards-Kortum R. Optical contrast agents and imaging systems for detection and diagnosis of cancer // Int. J. Cancer. – 2008. – №1. – 123(9). – P. 1979– 1990.Pierce M.C., Javier D.J., Richards-Kortum R. Optical contrast agents and imaging systems for detection and diagnosis of cancer, Int. J. Cancer, 2008, № 123 (9), pp. 1979-90.Дадвани С.А., Харнас С.С., Чилингариди К.Е, Лощенов В.Б., Ветшев С.П. Лазерная аутофлюоресцентная спектроскопия – новый метод экспресс-диагностики в хирургии (Обзор) // Хирур- гия. – 1999. – №10. – С. 75–79.Dadvani S.A., Kharnas S.S., Chilingaridi K.E, Loshchenov V.B., Vetshev S.P. Lazernaya autoflyuorestsentnaya spektroskopiya – novyi metod ekspress-diagnostiki v khirurgii (obzor) (Laser autofluorescence spectroscopy – a new method of instant diagnosis in surgery (Review)), Khirurgiya, 1999, № 10, pp. 75–79.Richards-Kortum R., Sevick-Muraca E. Quantitative optical spectroscopy for tissue diagnosis // Annual Review of Physical Chemistry. – 1996. – 47 (1). – P. 555–606.Richards-Kortum R., Sevick-Muraca E. Quantitative optical spectroscopy for tissue diagnosis, Annual Review of Physical Chemistry, 1996, № 47(1), pp. 555–606.Лощенов В.Б., Стратонников А.А., Волкова А.И., Прохоров А.М. Портативная спектроскопическая система для флюоресцентной диагностики опухолей и контроля за фотодинамической тера- пией // Российский химический журнал. – 1998. – №2. – XLII. – С. 50.Loshchenov V.B., Stratonnikov A.A., Volkova A.I., Prokhorov A.M. Portativnaya spektroskopicheskaya sistema dlya flyuorestsentnoi diagnostiki opukholei i kontrolya za fotodinamicheskoi terapiei (Handcarried spectroscopic system for fluorescence diagnosis of tumors and monitoring the photodynamic therapy), Rossiiskii khimicheskii zhurnal, 1998, № 2, XLII, p. 50.Palcic, B., Lam S., Hung J., MacAulay C. Detection and localization of early lung cancer by imaging techniques // Chest. – 1991. – 99 (3). – P. 742–743.Palcic, B., Lam S., Hung J., MacAulay C. Detection and localization of early lung cancer by imaging techniques, Chest, 1991, № 99 (3), pp. 742–3.Папаян Г.В., Канг Ук. флюоресцентная эндоскопическая видеосистема // Оптический журнал. – 2006. – №10. – С. 94–99.Papayan G.V., Kang Uk. Flyuorestsentnaya endoskopicheskaya videosistema (Fluorescence endoscopic video system), Opticheskii zhurnal, 2006, №. 10, pp. 94–9.В.В. Соколов, Е.В. Филоненко, Л.В. Телегина, Н.Н. Булгакова, В.В. Смирнов. Комбинация флюоресцентного изображения и локальной спектрофотометрии при флюоресцентной диагностике раннего рака гортани и бронхов // Квант. Электроника. – 2002. – 32 (11). – С. 963–969.Sokolov V.V., Filonenko E.V., Telegina L.V., Bulgakova N.N., Smirnov V.V. Kombinatsiya flyuorestsentnogo izobrazheniya i lokal'noi spektrofotometrii pri flyuorestsentnoi diagnostike rannego raka gortani i bronkhov (Combination of fluorescent image with local spectrophotometry for fluorescence diagnosis of early laryngeal and bronchial cancer), Kvant. Elektronika, 2002, № 32 (11), pp. 963–9.Benavides, J. M., Chang S., Park S. et al. Multispectral digital colposcope for in vivo detection of cervical cancer // Optics Express. – 2003. – 11. – P. 1223–36.Benavides, J. M., Chang S., Park S. et al. Multispectral digital colposcope for in vivo detection of cervical cancer, Optics Express, 2003, No. 11, pp. 1223–36.Канг Ук, Папаян Г.В., Бэ С.Д. и др. Флюоресцентный видеодерматоскоп // Оптический журнал. – 2008. – №1. – С. 32–38.Kang Uk, Papayan G.V., Be S.D. et al. Flyuorestsentnyi videodermatoskop (Fluorescence video dermatoscope), Opticheskii zhurnal, 2008, No. 1, pp. 32–8.Канг Ук, Папаян Г.В., Березин B.Б., Bae Soo-Jin, Ким С.В., Петрищев Н.Н. Мультиспектральный флюоресцентный органо- скоп – прибор для прижизненных исследований лабораторных животных и их органов // Оптический журнал. – 2011. – №9. – С. 82–90.Kang Uk, Papayan G.V., Berezin B.B., Bae Soo-Jin, Kim S.V., Petrishchev N.N. Mul'tispektral'nyi flyuorestsentnyi organoskop – pribor dlya prizhiznennykh issledovanii laboratornykh zhivotnykh i ikh organov (Multispectral flurescent organoscope – the device for in vivo study of laboratory animals and its organs), Opticheskii zhurnal, 2011, № 9, pp. 82–90.Папаян Г.В., Петрищев Н.Н., Панченко А.В, Канг Ук, Ким С.В., Березин В. Б. Мультиспектральная автофлюоресцентная диа- гностика рака шейки матки на экспериментальных моделях // Сборник научных трудов под ред. Н.Н.Петрищева. – СПб.: Лань, 2011. – С. 273–281.Papayan G.V., Petrishchev N.N., Panchenko A.V, Kang Uk, Kim S.V., Berezin V.B. Mul'tispektral'naya avtoflyuorestsentnaya diagnostika raka sheiki matki na eksperimental'nykh modelyakh (Mulruspectral autofluorescence diagnosis of cervical cancer on experimental models), Sbornik nauchnykh trudov pod red. N.N. Petrishcheva, SPb.: Lan', 2011, pp. 273–81.Петрищев Н.Н., Ким С.В., Березин В. Б., Папаян Г.В. Автофлюоресцентная визуализация сосудов микроциркуляторного русла // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. – 2010. – №4. – С.75-77.Petrishchev N.N., Kim S.V., Berezin V. B., Papayan G.V. Avtoflyuorestsentnaya vizualizatsiya sosudov mikrotsirkulyatornogo rusla (Autofluorescence imaging of microvasculature), Regionarnoe krovoobrashchenie i mikrotsirkulyatsiya, 2010, № 4, pp. 75–7.Policard. A. Etudes sur les aspects offerts par des tumeurs experimentales examinees a la lumiere de Woods C. R. // Soc. BioL. – 1924. – 91. – Р. 1423–1425.Policard. A. Etudes sur les aspects offerts par des tumeurs experimentales examinees a la lumiere de Woods C. R., Soc. BioL., 1924, № 91, pp. 1423–5.Горяйнов С.А., Потапов А.А, Лощенов В.Б., Савельева Т.А. Флюоресцентная навигация и лазерная спектроскопия в хирургии глиом головного мозга. – М.: МедиаСфера, 2014. – 152 с.Goryainov S.A., Potapov A.A, Loshchenov V.B., Savel'eva T.A. Flyuorestsentnaya navigatsiya i lazernaya spektroskopiya v khirurgii gliom golovnogo mozga (Fluorescence guidance and laser spectroscopy in surgery of brain gliomas), M.: MediaSfera, 2014, pp. 1–152.Соколов В.В., Русаков И.Г, Булгакова Н.Н., Ульянов Р.В., Теплов А.А. Флюоресцентные методы в диагностике поверхностного рака мочевого пузыря // Сибирский онкологический журнал. – 2007. – №4 (24). – С. 117–126.Sokolov V.V., Rusakov I.G, Bulgakova N.N., Ul'yanov R.V., Teplov A.A. Flyuorestsentnye metody v diagnostike poverkhnostnogo raka mochevogo puzyrya (Fluorescent methods in diagnosis of superficial bladder cancer), Sibirskii onkologicheskii zhurnal, 2007, № 4 (24), pp. 117–26.Kang Uk, Papayan G.V. Apparatus for photodynamic therapy and photodetection. Патент US8382812.Kang Uk, Papayan G.V. Apparatus for photodynamic therapy and photodetection. Patent US8382812.Valde´s P.A., Kim A., Brantsch M. et al. δ-aminolevulinic acid–induced protoporphyrin IX concentration correlates with histopathologic markers of malignancy in human gliomas: the need for quantitative fluorescence-guided resection to identify regions of increasing malignancy // Neuro-Oncology. – 2011. – 13(8). – P. 846–856.Valde´s P.A., Kim A., Brantsch M. et al. δ-aminolevulinic acid–induced protoporphyrin IX concentration correlates with histopathologic markers of malignancy in human gliomas: the need for quantitative fluorescence-guided resection to identify regions of increasing malignancy, Neuro-Oncology, 2011, № 13 (8), pp. 846–56.Папаян Г.В., Барский И.Я., Титов В.В., Сафиулина С.С., Щедрунов В.В., Лебедев О.Е., Грухие Ю.А., Гущ В.В. Микрофлюориметр для медицинских исследований /Оптико-механическая промыш- ленность. – 1882. – №7. – С. 34–37.Papayan G.V., Barskii I.Ya., Titov V.V., Safiulina S.S., Shchedrunov V.V., Lebedev O.E., Grukhie Yu.A., Gushch V.V. Mikroflyuorimetr dlya meditsinskikh issledovanii (Microfluorimetr for medical studies), Optiko-mekhanicheskaya promyshlennost', 1982, No. 7, pp. 34–7.Alfano, R. R., D. B. Tata, J. Cordero, P. et al. Laser induced fluorescence spectroscopy from native cancerous and normal tissue // IEEE J. Quant. Electron. – 1984. – 20. – P. 1507–1511.Alfano, R. R., D. B. Tata, J. Cordero, P. et al. Laser induced fluorescence spectroscopy from native cancerous and normal tissue, IEEE J. Quant. Electron., 1984, № 20, pp. 1507–11.Anderson-Angels S., Ankerts J., Brun A. et al. Tissue diagnostics using laser-induced fluorescence // Ber. Bunsenges. Phys. Chem. – 1989. – №93. – Р. 335–342.Anderson-Angels S., Ankerts J., Brun A. et al. Tissue diagnostics using laser-induced fluorescence, Ber. Bunsenges. Phys. Chem., 1989, № 93, pp. 335–42.Andersson-Engels S., Klintederg C., Svanberg K., Svanberg S. In vivo fluorescence imaging for tissue diagnostics // Phys. Med. Biol. – 1997. – Vol.42. – P. 815–824.Andersson-Engels S., Klintederg C., Svanberg K., Svanberg S. In vivo fluorescence imaging for tissue diagnostics, Phys. Med. Biol., 1997, Vol. 42, pp. 815–24.Leonhard M. New Incoherent Autofluorescence/Fluorescence System for Early Detection of Lung Cancer // Diagnostic and Therapeutic Endoscopy. – 1999. – Vol. 5. – З. 71–75.Leonhard M. New Incoherent Autofluorescence/Fluorescence System for Early Detection of Lung Cancer, Diagnostic and Therapeutic Endoscopy, 1999, Vol. 5, pp. 71–5.Маршетта Ж., Декамп Ф. Кольпоскопия. Метод и диагностика // пер. с франц. – М.: МЕДпресс-информ, 2014. – 200 с.Marshetta Zh., Dekamp F. Kol'poskopiya. Metod i diagnostika, per. s frants., (Method and diagnosis. Translated from French), M.: MEDpress-inform, 2014, pp. 1–200.Лисовский В.А., Щедрунов В.В., Барский И.Я., Папаян Г.В., Самойлов В.О., Гущ В.В., Грухин Ю.А., Шуленин А.Н., Соловьев В.Н. Люминесцентный анализ в гастроэнтерологии. – Л.: Наука, 1984. – 234 с.Lisovskii V.A., Shchedrunov V.V., Barskii I.Ya., Papayan G.V., Samoilov V.O., Gushch V.V., Grukhin Yu.A., Shulenin A.N., Solov'ev V.N. Lyuminestsentnyi analiz v gastroenterologii (Luminescence analysis in gastroenterology), L.: Nauka, 1984, pp. 1–234.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.