In vivo molecular imaging of epithelial pre-cancers based on dynamic optical scattering modeling

Abstract

Στα πλαίσια της διατριβής αυτής παρουσιάζουμε μία καινοτόμο βιοφωτονική μέθοδο μορια-κής απεικόνισης για την εκτίμηση και χαρτογράφηση των λειτουργικών και δομικών παραμέτρων του επιθηλίου του τραχήλου της μήτρας κατά τη διάρκεια εξέλιξης της νεοπλασίας. Οι εκτιμή-σεις βασίστηκαν σε πειραματικά δεδομένα, που λαμβάνονται μέσω δυναμικής, ενισχυμένης-αντίθεσης, οπτικής απεικόνισης του τραχήλου μήτρας, in vivo. Τα δυναμικά χαρακτηριστικά του μετρούμενου οπτικού σήματος διέπονται από τα φαινόμενα επιθηλιακής μεταφοράς του βιοδεί-κτη. Βάσει αυτών αναπτύχθηκε ένα διαμερισματικό, φαρμακοκινητικό μοντέλο του νεοπλαστι-κού επιθηλίου του τραχήλου που προβλέπει τα δυναμική οπτικά αποτελέσματα σε όλους τους δυνατούς συνδυασμούς τιμών των παραμέτρων του. Εννέα δομικές και λειτουργικές βιολογικές παράμετροι του ιστού εντοπίστηκε να συσχετίζονται με την ανάπτυξη νεοπλασίας οι οποίες εμ-φανίζονται στα μετρούμενα δεδομένα με περίπλοκο τρόπο. Έτσι, χρησιμοποιήσαμε μεθόδους καθολικής ανάλυσης ευαισθησίας με σκοπό τον εντοπισμό του υποσυνόλου εκείνου των παρα-μέτρων εισόδου που αποτελούν τους πιο καθοριστικούς παράγοντες της εξόδου του μοντέλου. Για πρώτη φορά αποδείξαμε ότι είναι δυνατόν να εκτιμηθεί, από δεδομένα δυναμικής οπτικής απεικόνισης μετρούμενα in vivo, οι ακόλουθες συναφής με τη νεοπλασία παράμετροι: ο αριθμός των νεοπλαστικών στρωμάτων, οι διαστάσεις του εξωκυττάριου χώρου, η λειτουργικότητα των σφιχτών δεσμών και το εξωκυττάριο pH. Τεχνικές καθολικής βελτιστοποίησης, έδειξαν ότι οι ε-κτιμήσεις της μεθόδου μας είναι επαρκείς ως προς την ορθότητα και την ακρίβειά τους. Ιδιαίτε-ρα, o αλγόριθμος της Διαφορικής Εξέλιξης συνέκλινε στο σύνολο των τεσσάρων, πιο ευπροσδιό-ριστων, παραμέτρων με σφάλμα περίπου 1%. Κατόπιν τούτου, δείχνουμε ότι οι εκτιμώμενες, σε δύο εκατομμύρια εικονοστοιχεία, τιμές των τεσσάρων αυτών παραμέτρων είναι αρκετά συνεπής με τις πληροφορίες που παρέχονται στη βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματά μας είναι μοναδικά υπό την έννοια ότι χάρτες των λειτουργικών και μικροδομικών παραμέτρων μπορούν να υπολογίζονται και εμφανίζονται μαζί για πρώτη φορά, μεγιστοποιώντας κατά συνέπεια τη διαγνωστική πληρο-φορία. Η ποσοτική και η ποιοτική προσέγγιση αυτών των πληροφοριών είναι ανέφικτη από άλλες επεμβατικές και μη επεμβατικές μεθόδους σήμερα. Τα ευρήματα της διατριβής αυτής προτεί-νουν ανεπιφύλακτα ότι η μέθοδός μας μπορεί να βελτιώσει την κατανόηση των μηχανισμών α-νάπτυξης της νεοπλασίας καθώς και της φυσιολογίας των μεταστατικών όγκων. Ως φυσικό ε-πακόλουθο, αυτή η μελέτη μπορεί να αποτελέσει ένα πολύτιμο διαγνωστικό εργαλείο που θα διευκολύνει την ανάπτυξη και την αξιολόγηση νέων θεραπειών του καρκίνου.