ПРОЕКТ ДНТС/Франция 01/7/09.05.2017
„Поляризационна оптична хистология на тумори”

Финансиран от ФНИ - МОН

   

Базови организации:

Институт по Електроника, Българска Академия на Науките

Лаборатория по физика на повърхностите и тънки филми (LPICM, CNRS, Ecole polytechnique, Universit? Paris-Saclay)

   

   

Научен колектив

Научен колектив от българска страна:

Доц. д-р Екатерина Георгиева Борисова - ръководител на екипа,
Институт по Електроника-БАН

Проф. м.д. Петранка Троянова
УМБАЛ "Царица Йоанна"ЕАД

Цанислава Генова-Христова
докторант в Институт по Електроника-БАН

Александра Желязкова
магистър физик, Институт по Електроника-БАН

Лилия Пламенова Ангелова,
магистър биолог, Институт по Електроника-БАН

Яна Андреева
бакалавър физик, Институт по Електроника-БАН

Научен колектив от френска страна:

Доц. д-р Татяна Новиковаръководител на екипа,
Лаборатория по физика на повърхностите и тънки филми

Проф. д-р Развигор Осиковски
професор в Лаборатория по физика на повърхностите и тънки филми

д-р Енрик Гарсия-Карел
Лаборатория по физика на повърхностите и тънки филми

Санг Хук Йо
докторант в Лаборатория по физика на повърхностите и тънки филми

Анотация:

Ранното откриване на рак играе важна роля в глобалните инициативи за контрол на рака, тъй като значително увеличава степента на преживяемост и подобрява качеството на живот на пациентите. Понастоящем "златен стандарт" и най-широко използвания метод за надеждна диагноза на рака е ексцизионната биопсия. Въпреки това, за някои видове рак, не може да се постигне определена и точна диагноза, което се наблюдава при около 25-35% от случаите [1]. При изображението с поляризирана светлина вече е доказано, че се постига увеличаване на контраста на изображението и откриване на фините разлики между здравата епителната тъкан и началото на предракови изменения на епителия, които остават невидими за конвенционалните методи за диагностика. Съвременни експерименти с дебелото черво [2] и с образци от шийката на матката [3] показват, че и двете – степента на поляризация на обратно разсеяния светлинен лъч и неговото фазово отместване (retardance) са особено чувствителни към патологични промени в тъканите. Това експериментално доказателство изисква фундаментални изследвания на взаимосвързаните физически механизми (разсейване, анизотропия, абсорбция), които обясняват тъканния отговор на поляризирана светлина.

В настоящия проект ние ще (i) проведем детайлни експериментални и теоретични изследвания на взаимодействието на поляризираната светлина с здрави и ракови човешки тъкани, (ii) ще определим и проучим набор от оптични маркери с повишена чувствителност към рака, които могат да се използват за биомедицинска диагностика (така наречената "оптична биопсия" на тъканта).

Поляриметричните микроскопи на Мюлерова матрица, разработени от френския партньор, които могат да работят както в режим на пропускане, така и в режим на отражение във видимия спектрален диапазон [4, 5] ще бъдат използвани за измерванията на фиксирани и нефиксирани хистологични препарати на човешки тъкани с различна дебелина (5 ?m, 10 ?m , 15?m) . Тези проби, съдържащи както здрави, така и туморни зони на кожа и на дебелото черво ще бъдат осигурени от българския партньор, като част от текущ договор за съвместно сътрудничество между ИЕ-БАН и Университетска болница "Царица Йоанна - ИСУЛ " София за развитие на системи за оптични биопсия за ранна диагностика на злокачествени тумори (Разрешение на Етичната комисия # 286 / 24.07.2012).

Ние планираме да изследваме различните видове поляризационна декомпозиция на оптичния сигнал за интерпретация на изображенията на тъканите с Мюлерови матрици Отделно от деполяризационното и скаларно фазово отместване при преминаване през тъканта , получени по стандартно Lu - Chipman разлагане на Мюлеровите матрици [6] , ние ще проучим разширен набор от оптични маркери (както линейна и кръгова деполяризация, дихроизъм и двойно лъчепречупване) , които ще бъдат получени в рамките на диференциален формализъм на Мюлерови матрици, разработен от проф Р. Осиковски (LPICM , ?cole Polytechnique) [7]. Предварителните проучвания на тъканни фантоми с контролирани разсейвателни свойства вече са потвърдили валидността на този подход за изотропно разсейваща оптична среда [8].

Като цяло, човешката тъкан е оптически анизотропна поради наличието на колагенови влакна. Известно е, че развитието на рак започва от фините промени в морфологията на биологичната тъкан и води до преподреждане на колагеновата екстрацелуларна матрица. Следователно, ние очакваме линейното и кръговото двойно лъчепречупване в пробите да бъде много чувствително именно към този ранен етап на злокачествена трансформация на тъканите . Проучванията на зависимостта на стойностите на тези оптични индикатори спрямо дебелината на пробата ще проправят пътя за оптично стадиране на туморите, т.е. за оценка на дълбочината на разпространение на тумора (пролиферацията) от измерваните Мюлерови матрици.

На базата на това, главната цел на проекта е да се проучи евентуалното повишение на чувствителността на мюлер- поляриметрията за неинвазивна диагностика на тъкани (оптична биопсия) чрез използване на нови оптични маркери, определени в рамките на феноменологичната теория на флуктоираща среда .

Нашият проект е стартиращо ново сътрудничество между френски и български екипи, като двете страни притежават допълващи се взаимно изследователски умения . Френският партньор има световно-признат опит в областта на теорията на поляриметрията и проектиране и изграждане на нови поляриметрични инструменти. Биомедицинските приложения на Мюлеровата поляриметрия са сред основните дейности на френския екип през последното десетилетие.

Българският екип изследва различни аспекти на биофотониката, включително разработка на системи за оптична биопсия, диагностика на рак на кожата чрез автофлуоресценция (АФ) и дифузно-отражателна спектроскопия (ДОС) техники, фотодиагностика на гастроинтестинални тумори, с използване на екзогенни флуоресцентни маркери, както и синхронна флуоресцентна спектроскопия (СФС) и матрици на възбуждане и излъчване(EEMs) за детектиране на туморни проби in vivo и ex vivo. Поляриметрични изследвания на емисията на ендогенни тъканни флуорофори се провежда през последните няколко години.

Подборът и подготовката на необходимите хистологични препарати на човешка тъкан (тип тъкан, туморни и здрави, с променлива дебелина на срезовете, различни оцветяващи агенти и т.н.) ще се извършва от българския екип-партньор. Поляризационно-чувствителн флуоресцентни измервания ще бъдат извършвани от българската група за оценка на ефекта на разрушаването на екстрацелуларната колагенова матрица причинена от растежа на туморното образувание.

Използвана литература

1. K. Nouri, Skin Cancer, The McGraw-Hill Companies Inc. (2008).
2. T. Novikova et al “The origins of polarimetric image contrast between healthy and cancerous human colon tissue”, Appl. Phys. Lett. 102, 241103 (4pp) (2013).
3. J. Rehbinder et al “Ex vivo Mueller polarimetric imaging of the uterine cervix: a first statistical evaluation”, J. Biomed. Opt. 21(7), 071113 (2016).
4. T. Novikova et al “Polarimetric imaging for cancer diagnosis and staging”, Optics and Photonics News, 26, (October 2012).
5. S. Bancelin et al “Determination of collagen fiber orientation in histological slides using Mueller microscopy and validation by second harmonic generation imaging”, Opt. Express, 22(19) 22561 (2014).
6. S.-Y. Lu and R. A. Chipman, "Interpretation of Mueller matrices based on polar decomposition," J. Opt. Soc. Am. A 13(5), 1106 (1996).
7. R. Ossikovski, Differential matrix formalism for depolarizing anisotropic media, Opt. Lett. 36, 2330 (2011).
8. N. Agarwal et al “Spatial evolution of depolarization in homogeneous turbid media within the differential Mueller matrix formalism”, Opt. Lett, 40(23) 5634 (2015).

Очаквани резултати:

Намаляването на стреса при началната диагноза, скъсяването на времето за анализ, високата диагностична точност, която ще се постигне при поляризационния и спектрален анализ на тъканните новообразувания ще са несъмнено от полза за пациентите, на които впоследствие ще се прилагат разработените диагностични методи. Приложението на нови неинвазивни диагностични методи, работещи безконтактно и в реално време, характеризиращи се с висока диагностична точност, са и от значима полза за пациентите, което води и до значим социален ефект на разработките, предвидени в плана на настоящето сътрудничество.

Очаква се постигането на следните резултати:

1. Ще бъдат получени нови научни знания за поляризационните характеристики на кожни и гастроинтестинални (ГИТ) тъкани в норма и при развитие на злокачествени новообразувания;
2. Ще се постигне подобряване на знанията и техническите умения в областта на оптичната поляризационна спектроскопия и получване на двумерни изборажения на тъканни неоплазии на кожа и ГИТ;
3. Ще бъдат разработени алгоритми за 1-D и 2-D поляризационен спектрален анализ за диагностика на тумори на кожа и ГИТ с висока чувствителност и специфичност;
4. В българската партнираща органзиация ще бъдат реализирани система за поляризационна флуоресцентна спектроскопия и система за дифурно-отражателна поляризационна топография на тъканни новообразувания;
5. Разработените методики и алгоритми за поляризационна спектроскопия на тумори на ГИТ ще бъдат включени при разработката на дисертационен труд за получаване на научна степен «Доктор по физика»;
6. Проведените изследвания, подготвените и представени лекции от старшите изследователи в екипа на проекта, реализацията на краткосрочни научни визити в партниращата лаборатория ще са значима предпоставка за развитието на знанията и уменията на младите учени и докторанти в областта на биофотониката;

Научните резултати ще бъдат публикувани в специализирани международни издания и докладвани на конференции, необходими за популяризацията им и ще имат принос за цялостното израстване на участниците, членове на екипа на проекта. Разработените методики и апаратура ще бъдат използвани в дисертационните трудове на двама от младите учени.

   

Основните цели на проекта са:

Основна цел на настоящия проект е анализ на поляризационните оптични характеристики на кожни и гастроинтестинални тъкани и определяне на диагностично-значимите характеристични изменения, които се наблюдават в тях при развитието на неоплазии за получаване на нови научни знания, оптимизация на диагностични алгоритми и разработка на неинвазивни методи за диференциация и диагностика на злокачествени новообразувания с приложимост в клинична среда.

Допълнителните цели на проекта са:

1. разширяване на възможностите на съществуващата инфраструктура в двете партниращи си организации,
2. подобряване на разработените до момента експериментални спектроскопски и оптично-поляризационни практики,
3. надграждане на натрупаните до момента бази данни за трансмиссионните, абсорбционните, дифузно-отражателни и флуоресцентни свойства на кожните и гастроинтестиналните патологии със средствата на поляризационната спектроскопия и двумерни изображения,
4. експериментални изследвания за разработка и оптимизация на оптоелектронен инструментариум и методология за поляризационна спектроскопия и двумерни изображения на тъкани в норма и патология и тяхната апробация за нуждите на ранната диагностика.

*************************

От предходни изследвания на двата колектива и разработки на сходни изследователски групи е известно, че при развитието на неоплазии се наблюдават характеристични изменения в оптичните свойства на биологичните тъкани, свързани с изменението на биохимичния им състав и промени в морфологията. Основната хипотеза на изследванията, планирани по настоящия проект, е свързана с характеристичните изменения, в поляризационните спектрални и образни характеристики при проявата и развитието на неопластични изменения спрямо здравата тъкан. За да се определят тези специфични поляризационни характеристики на неопластичните тъкани ще се използват няколко оптични метода за определяне на специфичните индикатори, свързани с отражателните, трансмиссионните и флуоресцентните спектрални свойства както в 1-D режим (спектрометрични измервания) така и в 2- D (изображения) режим на измервания.

   

   

Презентации по проекта

1. Biomedical applications of Mueller polarimetry, H. R. Lee, S. H. Yoo, T. Genova-Hristova, E. Garcia-Caurel, E. Borisova, R. Ossikovski, T. Novikova , , 4th International Conference on Optical Angular Momentum ICOAM17, Anacapri, Italy, 18-22 September 2017, poster presentation;
   
2. Polarization image contrast between tumour and healthy tissues – ex vivo investigations, T. Sang Hyuk Yoo, Ts. Genova, H. Ryung Lee, E. Borisova, I. Terziev, E. Garcia-Caurel, R. Ossikovski, T. Novikova, Saratov Fall Meeting, Conference on Optical Technologies in Biophysics & Medicine XIX, Saratov, Russia, 25-29 September 2017, poster presentation;
   
3. Polarized light histology of tissue and differential Mueller matrix formalism, S. H. Yoo, Ts. Genova-Hristova, H. R. Lee, E. Borisova., I. Terziev., E. Garcia-Caurel., R. Ossikovski., T. Novikovа, PHOTONICS WEST- BiOS, January 2018, San Francisco, USA, oral presentation, Proc. SPIE 10484, Advanced Biomedical and Clinical Diagnostic and Surgical Guidance Systems XVI, 1048412 (5 April 2018); doi: 10.1117/12.2291075;
   
4. Feasibility study of polarization imaging and confocal fluorescence microscopy for histology analysis of soft tissue neoplasia, Ts. Genova-Hristova, T. Sang Hyuk Yoo, H. Ryung Lee, E. Borisova, E. Garcia-Caurel, R. Ossikovski, T. Novikova, O. Semyachkina-Glushkovskaya, D. Bratashov, D. Gorin, I. Terziev, Photonics Europe, 22-26 April 2018, Strasbourg, France, poster presentation;
   
5. Synchronous fluorescence spectroscopy with and without polarization sensitivity for colorectal cancer differentiation, Ts. Genova-Hristova, E. Borisova, N. Penkov, B. Vladimirov, L. Avramov, Photonics Europe, 22-26 April 2018, Strasbourg, France, oral presentation;
   
6. През март 2018 в рамките на проекта бе защитена дипломна работа на тема „Тъканна поляриметрия на хистологични образци на злокачествени новообразувания” на Деян Иванов, магистър, специалност Медицинска Физика, Физически факултет на СУ „Св. Климент Охридски”
   
7. Тъканна поляриметрия на хистологични образци на туморни тъкани, Деян Иванов, Екатерина Борисова, Димана Назърова, Цанислава Генова, Лиан Неделчев, XX Юбилеен Зимен Семинар “ИНТЕРДИСЦИПЛИНАРНА ФИЗИКА” на младите учени и докторанти, 08-10 декември 2017 г., творчески дом на БАН ”Златни мостове” – Витоша, София, България, устен доклад
   
8. Физични и химични методи за визуализиране на злокачествени новообразувания, Деян Иванов, Лиан Неделчев, Димана Назърова, Екатерина Борисова, Цанислава Генова, XI-и пролетен семинар на докторантите и младите учени "Интердисциплинарна Химия", 20.04.2018 - 22.04.2018, София, България, устен доклад
   
9. Tissue polarimetry of histological samples for healthy and tumor tissue discrimination, D.Ivanov, E. Borisova, Ts.Genova, D.Nazarova, L.Nedelchev, Current Trends in Cancer Theranostics 01.07.2018 - 05.07.2018, Trakai, Lithuania
   
10. Tissue Polarimetric Discrimination Analysis of Skin and Colon Histological Samples, Deyan Ivanov, Ekaterina Borisova, Tsanislava Genova, Dimana Nazarova, Lian Nedelchev, 10th Jubilee Conference of the Balkan Physical Union, 26.08.2018 - 30.08.2018, Sofia, Bulgaria, постерен доклад
    
11. Multiwavelength polarimetry of gastrointestinal ex vivo tissues for tumor diagnostic improvement , Deyan Ivanov, Tsanislava Genova, Ekaterina Borisova, Lian Nedelchev, Dimana Nazarova, 20th International Conference and School on Quantum Electronics: Laser Physics and Applications, 17.09.2018 - 21.09.2018, Nessebar, Bulgaria, постерен доклад
    
12. Visualizing healthy and malignant tissues via polarized light imaging and chemical staining, Деян Иванов, Величка Стрижкова, Димана Назърова, Лиан Неделчев, Екатерина Борисова, Национална студентска научна конференция по физика и инженерни технологии, 30.11.2018 - 01.12.2018, Пловдив, България, постерен доклад
    
13. Проверка на статистически хипотези с резултати от тъканно поляриметрични експерименти, XXI Зимен Семинар "ИНТЕРДИСЦИПЛИНАРНА ФИЗИКА" на младите учени и докторанти, 14.12.2018 - 16.12.2018, София, България
    

   

   

Публикации по проекта

1. Genova Ts., Borisova E., Penkov N., Vladimirov B., Avramov L.. Synchronous fluorescence spectroscopy with and without polarization sensitivity for colorectal cancer differentiation. Proceedings SPIE, 10685, International Society for Optics and Photonics, 2018, DOI:10.1117/12.2306877, 106852L-1-106852l-7. SJR:0.234 ЛИНК;
   
2. Yoo Thomas SangHyuk, Genova-Hristova Ts., lee Hee Ryung, Borisova E., Terziev I., Garcia-Caurel E., Ossikovski R., Novikova T.. Polarized light histology of tissue and differential Mueller matrix formalism (Conference Presentation). Proceedings SPIE, 10484, International Society for Optics and Photonics, 2018, DOI:10.1117/12.2291075, 1048412. SJR:0.234 ЛИНК;
   
3. Deyan Ivanov, Tsanislava Genova, Ekaterina Borisova, Lian Nedelchev, Dimana Nazarova. Multiwavelength Polarimetry of Gastrointestinal ex vivo Tissues for Tumor Diagnostic Improvement. Proceedings of SPIE, International Society for Optics and Photonics, 2019, ISSN:0277786X, DOI:doi: 10.1117/12.2516645, 11047-07-8. SJR:0.234 ЛИНК;
   
4. Ivanov D., Borisova E., Genova Ts., Nedelchev L., Nazarova D.. Tissue Polarimetric Discrimination Analysis of Skin and Colon Histological Samples. AIP Conference Proceedings, 2075, 1, AIP Publishing, 2019, ISSN:0094-243X, DOI:10.1063/1.5091382, 170017-4. SJR:0.165 ЛИНК;
   
5. Deyan Ivanov, Ekaterina Borisova, Lian Nedelchev, Dimana Nazarova, Tsanislava Genova, and Razvigor Ossikovski, “Tissue polarimetrical study I: In search of reference parameters and depolarizing Mueller matrix model of ex vivo colon samples”, SPIE Proc. 2019 (accepted), SJR=0,234 ЛИНК;
   
6. Ivanov D., Strijkova V., Nedelchev N., NAzarova D., Borisova E.. Visualizing Healthy and Malignant Tissues via Polarized Light Imaging and Chemical Staining. Journal of Physics and Technology, 3, 1, University of Plovdiv “Paisii Hilendarski”, 2019, ISSN:2535-0536, 14-17 ЛИНК;
   
7. Ivanov D., Dremin V., Bykov A., Borisova E., Genova Ts., Popov A., Ossikovski R., Novikova T., Meglinski I.. Colon cancer detection by using Poincar? sphere and 2D polarimetric mapping of ex vivo colon samples. Journal of Biophotonics, 13, WILEY?VCH Verlag GmbH, 2020, ISSN:1864-0648, e202000082. IF=3.763 Q1, ЛИНК;