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

Abstract

We present a novel biophotonic method and imaging modality for estimating and mapping neoplasia-specific functional and structural parameters of the cervical precancerous epithelium. Estimations were based on experimental data obtained from dynamic contrast-enhanced optical imaging of cervix, in vivo. The dynamic characteristics of the measured optical signal are governed by the epithelial transport effects of the biomarker. A compartmental, pharmacokinetic, model of the cervical neoplastic epithelium has been developed, which predicts the dynamic optical effects in all possible parameter value combinations. Nine biological parameters, both structural and func-tional, have been identified to be potentially correlated with the neoplasia growth and to be mani-fested to the measured data in a convoluted manner. We have performed Global Sensitivity Analy-sis for the purpose of identifying the subset of the input parameters that are the key determinants of the model’s output. We have for the first time shown that it is possible to estimate, from in vivo measured dynamic optical data, the following neoplasia related parameters: number of neoplastic layers, extracellular space dimensions, functionality of tight junctions and extracellular pH. Global optimization techniques showed that the estimations of our method are of adequate accuracy and precision. Particularly, the Differential Evolution algorithm converged to the set of the four, most identifiable, parameters with an error of roughly 1%. We show that the estimated, in two millions of pixels, values of the four parameters are quite consistent with information provided in the literature. Our results are unique in the sense that for the first time functional and microstructural parameter maps can be estimated and displayed together, thus maximizing the diagnostic information. The quantity and the quality of this information are unattainable by other invasive and non invasive methods. The findings of this thesis suggest strongly that our method can improve our understand-ing of the neoplasia development mechanisms and of tumor growth and metastasis physiology. Corollary, it may become a valuable diagnostic tool that will also facilitate the development and evaluation of new cancer therapies.

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.