펨토초 레이저를 통해 얇은 병리학적 샘플에서 종양 조직 식별

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9250(2023) 이 기사 인용

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새로 발견된 대부분의 고형암 치료에서 수술은 여전히 ​​첫 번째 치료 옵션입니다. 이러한 수술 성공의 중요한 요소는 주변의 건강한 조직에 많은 영향을 주지 않고 종양을 완전히 제거할 수 있도록 종양학적 안전 한계를 정확하게 식별하는 것입니다. 여기서 우리는 암 조직을 구별하기 위한 대체 식별 기술로 기계 학습 알고리즘과 결합된 펨토초 레이저 유도 고장 분광법(LIBS)을 적용할 가능성에 대해 보고합니다. 얇은 고정 간 및 유방 수술 후 샘플에 대한 절제 후 방출 스펙트럼은 높은 공간 해상도로 기록되었습니다. 인접한 염색된 부분은 고전적인 병리학적 분석에 의한 조직 식별을 위한 참고 자료로 사용되었습니다. 간 조직에 대해 수행된 원리 증명 테스트에서 인공 신경망과 랜덤 포레스트 알고리즘은 약 0.95의 매우 높은 분류 정확도로 건강한 조직과 종양 조직을 모두 구별할 수 있었습니다. 알려지지 않은 조직을 식별하는 능력은 다양한 환자의 유방 샘플에서 수행되었으며, 이는 또한 높은 수준의 차별을 제공합니다. 우리의 결과는 펨토초 레이저를 사용한 LIBS가 수술 중 수술 분야에서 조직 유형을 신속하게 식별하기 위해 임상 응용에 사용될 수 있는 기술이라는 것을 보여줍니다.

수술은 초기 단계에서 발견된 암을 근절하기 위한 주요 공격 라인으로 남아 있습니다. 새로 진단된 고형 종양의 대부분은 완전한 치료 또는 최소한 환자의 기대 수명 연장을 기대하면서 수술로 제거됩니다1. 수술 후 남은 암세포(예: 절제 표본의 양성 마진)는 시간이 지남에 따라 국소 재발 또는 전이를 일으킬 수 있으며 이는 환자의 생존율을 결정하는 주요 요인 중 하나입니다. 많은 경우 새로 형성된 종양 조직을 제거하기 위해 후속 수술이 필요하거나 부작용이 많은 보조 요법(방사선 요법 또는 화학 요법)이 필요합니다. 수술 결과는 주로 종양학적 개입을 수행한 의료진의 경험에 따라 결정됩니다. 목표는 악성 세포를 완전히 제거하고(추가 재발을 방지하기 위해) 영향을 받은 기관에서 기능을 저하시키지 않고 가능한 한 많은 조직을 보존하는 것입니다. 실제로 종양학적 안전 한계는 암 유형과 종양 위치에 따라 2mm에서 1cm 사이로 다양합니다2. 종양의 고정밀 위치 파악은 수술 성공에 매우 중요합니다. 수술팀은 수술 전 영상기법(자기공명단층촬영, X선 컴퓨터 단층촬영, 초음파 영상)을 통해 얻은 정보를 활용할 수 있지만, 수술 현장에서는 주로 시각적, 촉각적 정보를 바탕으로 의사결정을 내린다. 악성 조직이 완전히 제거되었는지 확인하기 위해 냉동 검체를 이용한 수술 중 병리 검사를 이용하는 경우가 많습니다. 이 시술은 수십 분이 소요되며 불확실한 경우 수술 시간이 크게 늘어나 합병증의 위험도 높아집니다. 이러한 이유로 수술 대상 조직 유형을 빠르고 정확하게 확립하는 대체 또는 보완 기술이 매우 바람직합니다.

최근 몇 년 동안 생체 내 분석을 위해 몇 가지 혁신적인 기술이 연구되었습니다. 조직의 국소 분해로 인해 발생하는 다양한 분자 단편에 대해 질량/전하 값을 측정하는 질량 분광학 기술은 이미 다양한 유형의 암을 식별하기 위해 생체 내 테스트를 거쳤습니다3,4,5. 이와 병행하여 광학 일관성 단층 촬영6,7, 라만 분광법8,9,10 및 레이저 유도 파괴 분광법(LIBS)과 같은 광학 기술은 휴대성과 높은 공간 정밀도로 인해 조사되었습니다. 암 조직을 탐지하기 위해 LIBS를 사용하려는 최초의 시도가 거의 20년 전으로 거슬러 올라가더라도11, 대량의 실험 데이터를 해석하기 위한 최근 몇 년간의 기계 학습(ML) 알고리즘의 개발로 인해 이러한 연구가 강화되었습니다12. LIBS 기술은 재료 표면에 초점을 맞춘 레이저에 의해 생성된 플라즈마의 방출 스펙트럼을 분석합니다. 복잡한 전처리가 필요하지 않은 다양한 시료에 대해 빠른 결과를 얻을 수 있는 장점이 있습니다. LIBS 공정에서는 재료가 이온화되고 플라즈마가 생성되며, 냉각 시 재료에 존재하는 화학 원소에 특정한 방사선을 방출합니다. 다양한 유형의 악성 조직을 식별하려는 많은 연구가 나노초 레이저12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22를 사용하여 수행되어 샘플에 상당한 열 손상을 주는 고온 플라즈마를 생성하고 공간 해상도 감소23. 이전 연구에서 우리는 펨토초(fs) 펄스가 생물학적 조직 및 기술 샘플의 현장/생체 내 정밀 LIBS 분석에 사용될 수 있으며 미크론 단위 및 25 미만의 공간 분해능을 허용한다는 것을 보여주었습니다. fs-LIBS의 응용 다양한 생물학적 조직에 대한 연구는 여러 연구(참고문헌 26 및 해당 참조)에 제시되어 있지만 암 조직 검출에 대한 사용은 덜 조사되었습니다12,27,28,29.