Tissue Identification by Differential Mobility Spectrometry
Kontunen, Anton (2022)
Kontunen, Anton
Tampere University
2022
Biolääketieteen tekniikan tohtoriohjelma - Doctoral Programme in Biomedical Sciences and Engineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Väitöspäivä
2022-03-11
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2303-5
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-2303-5
Tiivistelmä
Perimämme muuttuu jatkuvasti luonnollisten mutaatioiden sekä ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta. Muutosten kumuloituessa elämämme aikana hallitsemattomasti jakaantuvien ja ympäröiviin kudoksiin sekä lymfaattiseen järjestelmään ja verenkiertoon tunkeutuvien solujen syntymisen todennäköisyys kasvaa. Tämän tyyppistä pahanlaatuista solukasvua kutsutaan syöväksi. Syöpä vaikuttaa joko suoraan tai epäsuorasti suurimpaan osaan ihmisistä yhtenä yleisimmistä kuolinsyistä. Syöpä on monimuotoinen tauti, joka voi syntyä käytännössä mihin kehon osaan tahansa. Riippuen syövän kohdekudoksesta ja kasvun aggressiivisuudesta mahdolliset hoitomuodot, selviytymisennusteet ja kuolleisuus vaihtelevat huomattavasti. Yleisesti syövän rooli kuolinsyynä kuitenkin korostuu jatkuvasti, ja huomattavasta rahallisesta panostuksesta ja vuosikymmenten tutkimustyöstä huolimatta uusille ja paremmille hoito- ja diagnosointimenetelmille on jatkuva tarve.
Kiinteiden syöpien leikkaushoito on yksi erityisalue, joka hyötyisi uusista, hoitoa tehostavista innovaatioista. Syövän leikkaushoidossa on yleisesti tavoitteena poistaa kasvain elimistöstä täydellisesti ja täten saavuttaa negatiivinen tervekudosmarginaali. Huomattavassa osassa syöpäleikkauksia poisto on kuitenkin epätäydellinen. Tällöin potilaaseen jääneet syöpäsolut vaativat jatkohoitotoimenpiteitä, joihin yleensä sisältyy myös syövän uusintaleikkaus. Uusintaleikkauksen tarve on erittäin vahingollista potilaan yleiselle hyvinvoinnille ja tuo mukanaan huomattavia lisäterveydenhuoltokustannuksia. Jos vältettävissä olevien uusintaleikkausten määrä voitaisiin puolittaa nykyisestä, säästöjä mitattaisiin jo miljardeissa.
Selkeästä säästöpotentiaalista huolimatta syöpien turhat uusintaleikkaukset ovat edelleen ratkaisematon ongelma johtuen etenkin leikkauksenaikaisista haasteista erottaa hyvänlaatuinen kudos pahanlaatuisesta. Solujen rakenteen ja toiminnan määräävä molekulaarinen sisältö eroaa riippuen solujen syntykudoksesta, ja samankaltaisia eroja havaitaan myös pahanlaatuisten ja hyvänlaatuisten solujen välillä. Biomolekyylejä, jotka mahdollistavat kudostyyppien erojen havaitsemisen, kutsutaan biomarkkereiksi tai bioilmaisimiksi, ja tutkimuksissa onkin löydetty satoja proteiineja, rasva-aineita ja aineenvaihduntatuotteita, joiden pitoisuus solussa vaihtelee hyvänlaatuisen ja pahanlaatuisen kudoksen välillä. Tiettyjen biomarkkereiden pitoisuuksien vaihteluvälit hyvänlaatuisissa ja pahanlaatuisissa kudoksissa ovat kuitenkin erittäin suuria, ja molekyylitason erot kudosten välillä aiheuttavat harvoin selkeää makroskooppisesti näkyvää muutosta. Siksi syöpäkudoksen ja tervekudoksen välisen rajan silmämääräinen arvioiminen on erittäin haastavaa. Silti lähes kaikki syöpäkirurgit käyttävät ainoastaan visuaalista arviointia ja tunnustelua operaatiotilanteessa. Lisää haasteellisuutta syövän kokonaispoistoon tuovat myös nykysuositukset, joiden mukaan syövän ympäriltä poistetun tervekudoksen määrä pyritään minimoimaan. Tämä tavoite ja rajan subjektiivinen arviointi johtavat suureen hajontaan eri maiden ja sairaaloiden positiivisten marginaalien määrissä sekä yleisesti korkeaan uusintaleikkausten määrään. Positiivisista tervekudosmarginaalilöydöksistä johtuvia uusintaleikkauksia on pyritty vähentämään tutkimalla ja ottamalla käyttöön useita erilaisia leikkauksenaikaista kudostunnistusta auttavia menetelmiä, mutta niiden kliininen käyttö on ollut rajallista johtuen kunkin menetelmän rajoitteista ja haitoista.
Tässä väitöskirjassa esitellään kudostunnistusjärjestelmä, jota voidaan mahdollisesti tulevaisuudessa hyödyntää leikkauksenaikaisessa tervekudosmarginaalin arvioinnissa. Järjestelmän kehitystä ja soveltuvuutta kudostunnistukseen tarkastellaan viiden osatyön kautta. Järjestelmä pohjautuu sähkökirurgiassa tuotetun kudossavun mittaamiseen liikkuvuuserospektrometrialla (differential mobility spectrometry, DMS). DMS on normaali-ilmanpaineessa toimiva mittausteknologia, joka tuottaa informaatiota kaasumaisen näytteen molekulaarisesta rakenteesta erottamalla ionisoidut molekyylit toisistaan voimakkaassa, epäsymmetrisesti muuttuvassa sähkökentässä. DMS vertautuu massaspektrometriaan (MS) mutta on analyyttiseltä suorituskyvyltään sitä heikompi. DMS-teknologian etuna on kuitenkin sen yksinkertaisuus, pienempi koko sekä pienemmät kustannukset MS-teknologiaan verrattuna. DMS-teknologiaa on aiemmin käytetty itsenäisenä mittausmenetelmänä erilaisissa kaasumittaussovelluksissa sekä biolääketieteellisessä käytössä muun muassa hengitysilman mittaamiseen. Nämä sovellukset ovat kuitenkin aina sallineet kontrolloidun ympäristön ja suhteellisen pitkän mittauksen keston. Siksi reaaliaikainen DMS-pohjainen sovellus vaatii ympärilleen lisälaitteistoa ja järjestelmän parametrien optimointia. Lisäksi DMS-data ei suoraan tuota määrällistä tietoa näytteessä olevista biomolekyyleista vaan luo pikemminkin kokonaiskuvan näytteen sisältämien aineiden seoksesta. Spektrin tulkinta ja kudostyypin määritys ei siis ole suoraviivaista, ja yhdestä näytteestä saatavan suuren datamäärän vuoksi analysointi soveltuu parhaiten koneoppimismenetelmille. Järjestelmän poikkitieteellinen näkökulma sekä kokonaisuuden toiminnan ja suorituskyvyn tutkiminen kudostunnistuksessa ovat tämän väitöskirjan pääsisältö.
Väitöskirjan kolmessa ensimmäisessä osatyössä tavoitteena oli tutkia menetelmän soveltuvuutta kudostunnistukseen eläinkudosnäytteillä sekä ihmisen rintasyöpänäytteillä. Tulokset laboratorio-olosuhteissa hallitulla näytteentuotolla olivat lupaavia, ja diagnostinen suorituskyky osoitti teknologian potentiaalin kudostunnistuksessa. Neljännessä osatyössä laitteistoa muokattiin mahdollistamaan reaaliaikaiset mittaukset sekä luokittelutuloksen esitys välittömästi mittauksen jälkeen. Tulokset osoittivat, että järjestelmä soveltuu reaaliaikaiseen kudostunnistukseen vähintään eläinnäytteillä laboratorio-olosuhteissa. Viidennessä osatyössä järjestelmää käytettiin rintasyöpäleikkauksissa. Diagnostisen suorituskyvyn osalta tulokset eivät olleet vertailukelpoisia laboratoriotutkimuksiin, mutta tutkimus osoitti, että järjestelmän integroiminen osaksi syöpäkirurgiaa onnistuu käyttäjiä häiritsemättä ja että se pystyy tuottamaan informaatiota leikatusta kudoksesta operaation aikana.
Kokonaisuudessaan väitöskirjatutkimuksen tulokset osoittavat DMS-pohjaisen kudostunnistusjärjestelmän potentiaalin ja soveltuvuuden reaaliaikaiseen käyttöön riittävällä diagnostisella suorituskyvyllä. Tulevaisuudessa tässä työssä esitetty järjestelmä voi jatkokehityksen jälkeen toimia syöpäkirurgin apuna tervekudosmarginaalin tunnistuksessa ja auttaa suojelemaan syöpäpotilaiden hyvinvointia vähentämällä tarpeettomia syövän uusintaleikkauksia.
Kiinteiden syöpien leikkaushoito on yksi erityisalue, joka hyötyisi uusista, hoitoa tehostavista innovaatioista. Syövän leikkaushoidossa on yleisesti tavoitteena poistaa kasvain elimistöstä täydellisesti ja täten saavuttaa negatiivinen tervekudosmarginaali. Huomattavassa osassa syöpäleikkauksia poisto on kuitenkin epätäydellinen. Tällöin potilaaseen jääneet syöpäsolut vaativat jatkohoitotoimenpiteitä, joihin yleensä sisältyy myös syövän uusintaleikkaus. Uusintaleikkauksen tarve on erittäin vahingollista potilaan yleiselle hyvinvoinnille ja tuo mukanaan huomattavia lisäterveydenhuoltokustannuksia. Jos vältettävissä olevien uusintaleikkausten määrä voitaisiin puolittaa nykyisestä, säästöjä mitattaisiin jo miljardeissa.
Selkeästä säästöpotentiaalista huolimatta syöpien turhat uusintaleikkaukset ovat edelleen ratkaisematon ongelma johtuen etenkin leikkauksenaikaisista haasteista erottaa hyvänlaatuinen kudos pahanlaatuisesta. Solujen rakenteen ja toiminnan määräävä molekulaarinen sisältö eroaa riippuen solujen syntykudoksesta, ja samankaltaisia eroja havaitaan myös pahanlaatuisten ja hyvänlaatuisten solujen välillä. Biomolekyylejä, jotka mahdollistavat kudostyyppien erojen havaitsemisen, kutsutaan biomarkkereiksi tai bioilmaisimiksi, ja tutkimuksissa onkin löydetty satoja proteiineja, rasva-aineita ja aineenvaihduntatuotteita, joiden pitoisuus solussa vaihtelee hyvänlaatuisen ja pahanlaatuisen kudoksen välillä. Tiettyjen biomarkkereiden pitoisuuksien vaihteluvälit hyvänlaatuisissa ja pahanlaatuisissa kudoksissa ovat kuitenkin erittäin suuria, ja molekyylitason erot kudosten välillä aiheuttavat harvoin selkeää makroskooppisesti näkyvää muutosta. Siksi syöpäkudoksen ja tervekudoksen välisen rajan silmämääräinen arvioiminen on erittäin haastavaa. Silti lähes kaikki syöpäkirurgit käyttävät ainoastaan visuaalista arviointia ja tunnustelua operaatiotilanteessa. Lisää haasteellisuutta syövän kokonaispoistoon tuovat myös nykysuositukset, joiden mukaan syövän ympäriltä poistetun tervekudoksen määrä pyritään minimoimaan. Tämä tavoite ja rajan subjektiivinen arviointi johtavat suureen hajontaan eri maiden ja sairaaloiden positiivisten marginaalien määrissä sekä yleisesti korkeaan uusintaleikkausten määrään. Positiivisista tervekudosmarginaalilöydöksistä johtuvia uusintaleikkauksia on pyritty vähentämään tutkimalla ja ottamalla käyttöön useita erilaisia leikkauksenaikaista kudostunnistusta auttavia menetelmiä, mutta niiden kliininen käyttö on ollut rajallista johtuen kunkin menetelmän rajoitteista ja haitoista.
Tässä väitöskirjassa esitellään kudostunnistusjärjestelmä, jota voidaan mahdollisesti tulevaisuudessa hyödyntää leikkauksenaikaisessa tervekudosmarginaalin arvioinnissa. Järjestelmän kehitystä ja soveltuvuutta kudostunnistukseen tarkastellaan viiden osatyön kautta. Järjestelmä pohjautuu sähkökirurgiassa tuotetun kudossavun mittaamiseen liikkuvuuserospektrometrialla (differential mobility spectrometry, DMS). DMS on normaali-ilmanpaineessa toimiva mittausteknologia, joka tuottaa informaatiota kaasumaisen näytteen molekulaarisesta rakenteesta erottamalla ionisoidut molekyylit toisistaan voimakkaassa, epäsymmetrisesti muuttuvassa sähkökentässä. DMS vertautuu massaspektrometriaan (MS) mutta on analyyttiseltä suorituskyvyltään sitä heikompi. DMS-teknologian etuna on kuitenkin sen yksinkertaisuus, pienempi koko sekä pienemmät kustannukset MS-teknologiaan verrattuna. DMS-teknologiaa on aiemmin käytetty itsenäisenä mittausmenetelmänä erilaisissa kaasumittaussovelluksissa sekä biolääketieteellisessä käytössä muun muassa hengitysilman mittaamiseen. Nämä sovellukset ovat kuitenkin aina sallineet kontrolloidun ympäristön ja suhteellisen pitkän mittauksen keston. Siksi reaaliaikainen DMS-pohjainen sovellus vaatii ympärilleen lisälaitteistoa ja järjestelmän parametrien optimointia. Lisäksi DMS-data ei suoraan tuota määrällistä tietoa näytteessä olevista biomolekyyleista vaan luo pikemminkin kokonaiskuvan näytteen sisältämien aineiden seoksesta. Spektrin tulkinta ja kudostyypin määritys ei siis ole suoraviivaista, ja yhdestä näytteestä saatavan suuren datamäärän vuoksi analysointi soveltuu parhaiten koneoppimismenetelmille. Järjestelmän poikkitieteellinen näkökulma sekä kokonaisuuden toiminnan ja suorituskyvyn tutkiminen kudostunnistuksessa ovat tämän väitöskirjan pääsisältö.
Väitöskirjan kolmessa ensimmäisessä osatyössä tavoitteena oli tutkia menetelmän soveltuvuutta kudostunnistukseen eläinkudosnäytteillä sekä ihmisen rintasyöpänäytteillä. Tulokset laboratorio-olosuhteissa hallitulla näytteentuotolla olivat lupaavia, ja diagnostinen suorituskyky osoitti teknologian potentiaalin kudostunnistuksessa. Neljännessä osatyössä laitteistoa muokattiin mahdollistamaan reaaliaikaiset mittaukset sekä luokittelutuloksen esitys välittömästi mittauksen jälkeen. Tulokset osoittivat, että järjestelmä soveltuu reaaliaikaiseen kudostunnistukseen vähintään eläinnäytteillä laboratorio-olosuhteissa. Viidennessä osatyössä järjestelmää käytettiin rintasyöpäleikkauksissa. Diagnostisen suorituskyvyn osalta tulokset eivät olleet vertailukelpoisia laboratoriotutkimuksiin, mutta tutkimus osoitti, että järjestelmän integroiminen osaksi syöpäkirurgiaa onnistuu käyttäjiä häiritsemättä ja että se pystyy tuottamaan informaatiota leikatusta kudoksesta operaation aikana.
Kokonaisuudessaan väitöskirjatutkimuksen tulokset osoittavat DMS-pohjaisen kudostunnistusjärjestelmän potentiaalin ja soveltuvuuden reaaliaikaiseen käyttöön riittävällä diagnostisella suorituskyvyllä. Tulevaisuudessa tässä työssä esitetty järjestelmä voi jatkokehityksen jälkeen toimia syöpäkirurgin apuna tervekudosmarginaalin tunnistuksessa ja auttaa suojelemaan syöpäpotilaiden hyvinvointia vähentämällä tarpeettomia syövän uusintaleikkauksia.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [4888]