PLoS ONE: Buccal Spectral Markers for lungekræft Risk Stratification

Abstrakt

Lungekræft er stadig den hyppigste årsag til kræftdødsfald i USA med 150.000 dødsfald om året. Med henblik på mere effektivt at reducere dødeligheden lungekræft, er der behov for mere sofistikerede screening paradigmer. Tidligere vores gruppe demonstrerede brug af lav-sammenhæng forbedret tilbagespredning (LEBS) spektroskopi til at detektere og kvantificere de mikro /nano-arkitektoniske korrelater til kolorektal og pancreas felt carcinogenese. I lungen har buccale (kind) slimhinde blevet foreslået som en fremragende surrogat sted i “området for skade”. Vi har derfor ønsket at vurdere, om LEBS ligeledes kunne føle tilstedeværelsen af ​​lungen. Til dette formål har vi anvendt et fiberoptisk LEBS sonde til et datasæt af 27 rygere uden diagnosticeret lungekræft (kontroller) og 46 med lungekræft (sager), som blev opdelt i en uddannelse og et blindet validering sæt (32 og 41 fag , henholdsvis). LEBS aflæsninger af mundslimhinden blev taget fra mundhulen anvender blid berøring. Den diagnostiske LEBS markør blev især ændret hos patienter huser lungekræft i forhold til rygning kontroller. Forudsigelsen regel udviklet på uddannelse sæt data forudsat fremragende diagnostik med 94% sensitivitet, 80% specificitet, og 95% nøjagtighed. Anvendelse af samme tærskel for de blindede validering sæt gav 79% sensitivitet og 83% specificitet. Disse resultater blev ikke forvirret af patientdemografi eller påvirket af kræft type eller placering. Desuden forudsigelsen reglen var robust på tværs af alle stadier af kræft, herunder fase I. Vi forestiller brugen af ​​LEBS som første del af en to-trins paradigmeskift i screening lungekræft, hvor patienter med høj LEBS risikomarkører er kanaliseret ind i mere invasive screening for bekræftelse

Henvisning:. Radosevich AJ, Mutyal NN, Rogers JD, Gould B, Hensing TA, Ray D, et al. (2014) Buccale Spectral Markers for lungekræft Risk Stratificering. PLoS ONE 9 (10): e110157. doi: 10,1371 /journal.pone.0110157

Redaktør: Thomas Behrens, Universität Bochum, Tyskland

Modtaget: August 18, 2014 Accepteret: September 4, 2014; Udgivet: 9 oktober 2014

Copyright: © 2014 Radosevich et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Data Tilgængelighed:. Det forfattere bekræfter, at alle data, der ligger til grund resultaterne er fuldt tilgængelige uden restriktioner. Alle relevante data er inden for papir og dens Støtte Information filer

Finansiering:. Undersøgelsen blev muliggjort af National Institutes of Health giver R01CA128641, R01CA155284 og National Science Foundation tilskud cbet-1.240.416. AJR understøttes af en National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant nr DGE-0.824.162. De finansieringskilder havde ingen rolle i studie design, indsamling og analyse af data, beslutning om at offentliggøre, eller forberedelse af manuskriptet

Konkurrerende interesser:. Drs. Roy og Backman er medstiftere /share-indehavere af amerikansk BioOptics LLC. BG er en aktie-indehaver af amerikansk BioOptics LLC. Dette ændrer ikke forfatternes tilslutning til alle PLoS ONE politikker om datadeling og materialer.

Introduktion

Lungekræft er stadig den hyppigste årsag til kræftdødsfald i USA med over 150.000 dødsfald pr år (86,930 mænd og 72,330 kvinder) [1]. Mens lokaliseret lungekræft er helbredes ved et kirurgisk resektion, den snigende sygdommens art betyder, at dens symptomer først vise sig i de avancerede og dermed uhelbredelige etaper. Dette er en væsentlig faktor bag den dystre 16% fem år overlevelsesraten for patienter diagnosticeret med lungekræft, hvilket understreger behovet for screening for at identificere den præ-symptomatisk befolkning. I betragtning af, at den udsatte befolkning let kan identificeres (nuværende /tidligere rygere udgør -90% af patienter med lungecancer), bør det være muligt at udvikle en pre-screening test, der vurderer deres risiko for at udvikle kræft. Men denne risikogruppe er dauntingly stort og omfatter ca. en fjerdedel af hele den voksne befolkning.

Tidligere forsøg på at skærme for udsatte befolkning er plaget af mangel på følsomhed for lungekræft (dvs. bryst X- ray eller spyt cytologi). For nylig har der været en betydelig spænding med de langt mere følsomme lave doser computertomografi scanninger (LDCT). Ja, i den skelsættende National Lung Cancer Screening Trial (NLST) af 53,439 patienter var der ca. 20% reduktion i dødeligheden lungekræft for LDCT gruppe sammenlignet med røntgenbillede af brystkassen. Dette tjente som afsæt for en række forskellige grupper (herunder USA Forebyggende Services Task force) at anbefale screening høj-risiko populationer. Desværre, mens følsomheden af ​​LDCT var fremragende (93,8%) specificiteten var kun 73,4% i forhold til røntgen af ​​thorax med specificitet 91,3% [2]. Problemerne i forbindelse med denne beskedne specificitet forstærkes af den lave forekomst af lungekræft (1,1%) på trods af anvendelsen af ​​kriterier meget strenge inklusionskriterier (alder 55-74, ≥30-pack-år eller holder op med at ryge inden for de sidste 15 år). Således nøglemåling i en screeningsundersøgelse, den positive prædiktive værdi (PPV) var en trist 3,8%. Med andre ord, at langt størstedelen af ​​positive tests i virkeligheden var falske positiver. Desuden 27,3% af første runde tests havde nogle positive resultater, forpligtende yderligere test (radiografiske eller invasive procedurer) med alle de etablerede omkostninger, patient bekymring og potentielle komplikationer. For at afbøde de skader, der er forbundet med en lav PPV, er det afgørende at berige befolkningen undergår LDCT med de patienter, der er mest tilbøjelige til havnen lungekræft.

Vores tværfaglig gruppe fokuserer på at bygge bro mellem biomedicinsk optik og kræftscreening risiko lagdeling. Vores tilgang har været centreret om at identificere udsatte patienter ved anvendelse af felt carcinogenese (også kendt som inden for skade, felt effekt, felt defekt, etc.). Felt carcinogenese er veletableret proposition at den genetiske /miljømæssige miljø, der fører til neoplastisk transformation bør være detekterbar diffust i hele området for skade. Focal tumorer kan derefter komme ud af marken gennem endelige stokastiske hændelser (dvs. mutationer i den kritiske tumorsuppressorgen /protoonkogen). En naturlig følge af disse diffuse genetiske /epigenetisk begivenheder er strukturelle ændringer forekommer på mikro- og nanoskala (fx høj orden kromatin komprimering, cytoskeletale ændringer, ekstracellulær matrix reorganisering, osv). For at opdage sådanne mikro /nano-skala ændringer opfandt vi en ny teknologi, lav sammenhæng forbedret tilbagespredning teknologi (LEBS), der specifikt er rettet mod ændringer i strukturer mellem 20 nm og 3 mikron [3] – [5]. Eftersom mange af disse ændringer er større end diffraktionsgrænsen af ​​lys, vises slimhinden histologisk normal. Således kan LEBS detektere intracellulære (dvs. cytoskelettet, ribosomer, mitokondrier, og kernen) og ekstracellulære (dvs. collagenmatrix tværbinding) ændringer vides at ændres i tidlig carcinogenese selv i histologisk normale slimhinde.

ved hjælp af en første generation bench-top system har vi vist, at LEBS signaturer kunne detektere tilstedeværelsen af ​​colorektal og pancreascancer felt carcinogenese gennem analyser af den rektale og duodenale slimhinde henholdsvis [6], [7]. Ja, i en undersøgelse af 297 patienter, biopsier af endoskopisk normal endetarmen var i stand til at forudsige betydelig neoplasi hele tyktarmen med diagnostiske ydeevne (følsomhed 100%, specificitet 80% for avanceret adenomer) [7]. Desuden viste vi, at oprindelsen af ​​ændringer i tyktarmen felt carcinogenese var primært i ændringer af strukturer mindre end -200 nm fundet inden for top 600 mikron rektal slimhinde [3].

For at anvende denne tilgang lungekræft, vi målrettet den buccale (kind) slimhinde da det er veletableret som en del af feltet af skade fra cigaretrygning. Faktisk har kinden epitel blevet omtalt som “molekylær spejl” eller “vindue til sjælen” af lunge carcinogenese [8] – [10]. I denne undersøgelse ønskede vi at vurdere, om buccale LEBS markører kunne skelne mellem rygere med og uden lungekræft. For at opnå dette mål, vi ansat en nyudviklet LEBS fiberoptisk sonde for at tillade in situ, smertefri forhør af den bukkale slimhinde.

Materialer og metoder

Deltagere

Denne sag -styring undersøgelse blev godkendt af Institutional Review Board på NorthShore University sundhedssystem. Alle deltagere forudsat skriftligt informeret samtykke forud for optagelse i undersøgelsen. Sager havde patologisk bekræftet primær lungekræft uden forudgående kemoterapi eller strålebehandling. Controls var rygere (nuværende eller tidligere) uden en diagnose eller symptomer på lungekræft. LEBS aflæsninger af mundslimhinden blev taget fra mundhulen med en 3,4 mm diameter fiberoptisk LEBS sonde med forsigtig kontakt (~ 10 steder vurderes hver kræver 250 millisekunder). Figur 1A viser LEBS sonden indsat i kinden til måling af mundslimhinden og Figur 1b viser den bærbare vogn boliger datafangst modulet. LEBS målinger blev erhvervet af uddannede teknikere, mens dataanalyse blev udført af efterforskerne. Begge blev blindet til resultaterne patologi på tidspunktet for indsamling og analyse af data. Forskerne blev un-blindet kun statistisk analyse.

(a) LEBS probet indsat i kinden til måling af mundslimhinden. (B) Bærbar vogn, der huser datafangst instrumentering og software. (C) 3,4 mm i diameter fiberoptisk LEBS probe skematisk. Hvidt lys fra en belysning fiber rettes mod prøven. Tre indsamling fibre detektere spredt lysintensitet som funktion af vinkel og belysningsbølgelængde. Det indsatte viser et billede af den lineære optiske fiber array.

LEBS Analyse af væv mikro /nano-struktur

karakterisering af væv mikro /nano-struktur i marken carcinogenese har været detaljeret andetsteds [3], [11]. Vi har derfor gennemgå kun de grundlæggende principper, der er nødvendige i dette papir. Den primære fysiske kendetegn, der beskriver både væv mikro /nano-struktur samt lysspredning opdaget af LEBS er den rumlige autokorrelationsfunktionen

B Hotel (

r

) [12], [ ,,,0],13].

B Hotel (

r

) er en statistisk mængde, der kvantificerer vifte af strukturer, der udgør en specifik vævsprøve. Formen på

B Hotel (

r

) kan beskrives ved tre fysiske parametre. er udsving styrken af ​​rumlig væv heterogenitet, er den karakteristiske strukturelle længde-skala, og er formen på den rumlige fordeling. Ved at bruge spredning teori og simple matematiske transformationer [14], kan disse tre fysiske egenskaber være relateret til de optiske sprednings- egenskaber (den reducerede spredning koefficient) og (den anisotropi faktor).

LEBS fænomen er et sammenhængende intensitet peak, der danner grund vævet heterogenitet angivet af

B Hotel (

r

). Ved at bruge belysning med delvis rumlige kohærens, LEBS er i stand til at målrette de korte lysspredningsegenskaber stier, der bevarer information om, og [15] – [18]. For at kvantificere formen af ​​LEBS peak, bruger vi tre empiriske parametre: enhancement (E, højden af ​​toppen), fuld bredde ved halv maksimum (W), og spektral hældning (S, ændring i E pr bølgelængde). Disse tre empiriske parametre indkode oplysninger, der giver os mulighed for at beregne de optiske og fysiske egenskaber af biologisk væv.

LEBS fiberoptisk sonde instrumentering og markører

Designet og teorien bag det fiberoptiske LEBS sonde (samlet af OFS, Avon, CT) er blevet beskrevet detaljeret andetsteds [4], [19]. Kort fortalt LEBS proben består af et lineært array af 4 optiske fibre vist i figur 1c. Den første fiber giver belysning med hvidt lys på vævsoverfladen, og de resterende tre fibre indsamler lys ved tre returspredningskurver vinkler (-0.6 °, 0,6 ° 1,12 ° i forhold til den indfaldende retning). Lys rejser gennem tre indsamling fibre detekteres af et spektrometer optimeret til bølgelængder mellem 500 og 700 nm. Den LEBS probe måler derfor det tilbagespredte lys signal som funktion af bølgelængden og vinkel. Endelig, for at styre belysningen rumlige kohærens længde (L

SC) (og dermed begrænse lysgennemtrængning dybde), en 9 mm glasstang spacer adskiller de optiske fibre fra vævsoverfladen. Buccale slimhinde består af et tykt lag (~500-800 um) af ikke-keratiniseret stratificeret pladeepitel. For at målrette pladecellekræft celler i top ~100-150 um af slimhinden, der interagerer bedst med det orale miljø, vi begrænset den rumlige kohærens længde til 27 um ved 700 nm belysning bølgelængde [4], [20].

for at karakterisere LEBS signal, er to empiriske parametre beregnes: styrkelse på θ = 0,6 ° (), og den normaliserede spektrale hældning (). Disse parametre blev valgt til dels på grund af deres tidligere følsomhed over for kolorektal og pancreas felt carcinogenese [6], [7]. For at beregne disse parametre vi først beregne spektralt løst ved at tage gennemsnittet af de intensiteter ved -0,6 ° og + 0,6 ° minus intensiteten ved 1,12 °. Parameteren er derefter blot gennemsnittet på fra 610 til 690 nm. Næste vi beregne den spektrale hældning () af anvendelse af en lineær regression af formen over bølgelængdeområdet 610-690 nm. Da parameteren delvis er korreleret med, må vi fjerne denne afhængighed for at beregne en uafhængig markør. Vi beregner derfor ved at dividere med og multiplicere med den gennemsnitlige bølgelængde:.

For at få et mere fysisk forståelse af vævet sammensætning vi også udlede de fysiske /optiske egenskaber og bruge de empiriske parametre og. For at gøre dette, begynder vi med den antagelse, at = 0,9 i biologisk væv [21]. Vi bruger derefter empiriske ligninger formuleret ved hjælp af Monte Carlo simulation til at beregne og [22]: og. Forud for anvendelsen af ​​disse ligninger blev værdien af ​​først multipliceret med en konstant kalibreringsfaktor på 0,31 for at opnå overensstemmelse mellem eksperiment og Monte Carlo simulation. Mulige årsager til forskellen i værdi mellem teori og eksperiment diskuteres i ref. [17].

En række data udelukkelseskriterier var ansat til at sikre robusthed datasættet. Først fjernede vi patienter, hvis værdier for enten eller var uden for intervallet [Q

1-1,5 (Q

3-Q

1), Q

3 + 1,5 (Q

3 Q

1)], hvor Q

1 og Q

3 er 25

th og 75

th fraktiler hhv. For normalfordelte data svarer til ± 2,7 standardafvigelser. Endvidere har vi udelukket værdier, og som blev bestemt til at være unphysical til buccal slimhinde. Disse kriterium var en 4 og 0 cm

-1 . 100 cm

-1

Statistisk analyse

De empiriske parametre og blev kombineret i en enkelt diagnostisk biomarkør (såkaldte LEBS markør) til at forudsige lungecancer under anvendelse af en multivariabel logistisk regression udført i MATLAB R2013a. Den endelige forudsigelse regel genereres som en lineær kombination af og: (1), hvor a

n er koefficienter tildelt af Matlab funktionen “mnrfit«. For at karakterisere den samlede diagnostiske ydeevne vi beregnet følsomhed, specificitet og nøjagtighed ved at generere modtageren opererer karakteristik (ROC) kurve ved hjælp af Matlab funktionen “perfcurve«. Bidrag fra forstyrrende faktorer (alder, race, rygning /alkohol status og personlig og familie historie af kræft) mod LEBS markør blev evalueret ved at udføre analyse af kovarians (ANCOVA) i STATA 8.0.

For at teste robustheden af LEBS markør vi kronologisk adskilte vores datasæt ind i en uddannelse og validering sæt. Koefficienterne for forudsigelse reglen i lign. 1 samt den optimale test tærskelværdien blev udviklet ved anvendelse patienter i træningssættet. Disse værdier blev derefter anvendt på blindet validering sæt.

Resultater

Patientkarakteristika Salg

Demografiske for vores undersøgelse er vist i tabel 1. Den samlede datasæt bestod af 79 patienter, hvoraf 6 røgfrie kontroller ikke indgik i forudsigelsen reglen. Den resterende datasæt af 73 patienter består af 27 rygere kontroller uden lungekræft og 46 lungekræftpatienter med rygning historie. Disse patienter blev kronologisk opdelt i to tilsvarende størrelse datasæt: de første 32 patienter blev inkluderet i uddannelse sæt, og de resterende 47 patienter (inklusive alle 6 røgfri kontroller) blev tildelt til de blindede validering sæt

Natur af de optiske ændringer, der forekommer i lungekræft felt carcinogenese

Figur 2 viser ændringer i optiske egenskaber og for hele datasættet. For vi målte en næsten signifikant stigning på 16% i værdi (P = 0,067). Denne stigning viser et skift i nano-strukturelle sammensætning i retning af større størrelser i lunge felt carcinogenese. For der var en betydelig 5 gange stige i værdi (P = 0,014). Denne ændring skyldes til dels, at en stigning i variansen af ​​rumlige massedensitet organisation.

(a) Masse densitet distribution. (B) Reduceret spredning koefficient.

Evaluering af LEBS Marker

Den sammensatte LEBS markør blev evalueret som en lineær kombination af de empiriske parametre og bruge data i træningssættet (Eq .1). Denne forudsigelse regel blev derefter påført valideringssættet. Værdierne af LEBS markør beregnet for uddannelse og validering sæt er vist i figur 3a og 3b, hhv. I både uddannelse og validering sæt, den LEBS markør tjente som en meget følsom indikator for tilstedeværelsen af ​​lungekræft med P 0,001 i hvert tilfælde. Desuden er de absolutte værdier af LEBS markør var konsistent på tværs af uddannelse og validering sæt med P = 0,93 mellem rygning kontrolgrupper og P = 0,96 mellem lungekræft grupper.

Composite LEBS markør beregnet ved lineær kombination af LEBS parametre af og viser meget signifikant ændring (p 0,001) mellem rygning kontroller og lungekræftpatienter i både træning og validering sæt (paneler a og b). c) Modtager opererer karakteristik (ROC) kurve for uddannelse og valideringer sæt. Arealet under kurven (AUC) er 0,95 til uddannelse sæt og 0,89 for validering sæt. Den dobbelte rød stjerne angiver statistisk signifikans på 0,1% niveau.

Opsummering den diagnostiske potentiale LEBS markør, modtageren opererer karakteristik (ROC) kurve for uddannelses- og validering sæt er vist i figur 3c . Forestillingen i træningssættet var fremragende med 94% sensitivitet, 80% specificitet, og 95% samlet nøjagtighed (95% konfidensinterval fra 87% til 100%). Anvendelse af samme forudsigelse regel til validering sæt, vi opnåede 79% sensitivitet, 83% specificitet, og 89% samlet nøjagtighed (95% konfidensinterval fra 79% til 99%). Disse test ydeevne er sammenfattet i tabel 2. Det lille fald i udførelsen for validering sæt kan skyldes til dels det beskedne antal patienter i hvert datasæt. Støtte denne påstand, kan vi konstatere, at nøjagtigheden af ​​hvert datasæt falder inden for 95% konfidensintervallet for det andet datasæt.

Indflydelse af kræft type, scene og placering

Vi næste ønskede at vurdere, om buccal LEBS markører ydeevne ville blive ramt af kræft type, scene og placering. Til dette formål har vi kombineret uddannelse og validering sæt til yderligere analyse.

Figur 4a viser LEBS markør værdier for patienter med lungecancer adskilt i henhold til kræftpatienter type og kontrol adskilt efter rygning status. Vi begynder med at bemærke, at rygning og ikke-ryger kontroller er statistisk ikke skelnes med P = 0,216, hvilket tyder på, at rygning status ændrer ikke buccale morfologi målt ved LEBS. Dernæst vi delte kræftpatienter i småcellet (N = 2) og ikke-småcellet læsioner (N = 39) med 5 patienter resterende uklassificeret grundet ukendt histologi. For små celle karcinom oplevede vi en stigning i LEBS markør i forhold til rygning kontroller (hvilket indikerer øget aggressivitet), men på grund af et begrænset antal patient denne ændring var ubetydelig (P = 0,112). For de ikke-småcellet læsioner, der omfattede et flertal af kræftpatienter, der var en yderst signifikant (P 0,001) forøgelse af værdien af ​​LEBS markør. Endelig har vi separeres yderligere ikke-småcellet carcinom gruppe i pladecarcinomer (N = 10) og adenocarcinomer (N = 25) med 4 patienter cancertype ukendt. For både pladecarcinomer og adenocarcinomer var der en meget signifikant stigning i LEBS markør (P 0,001).

Composite LEBS markør adskilt efter cancer type (panel a), trin (panel b), og placering ( panel c). Den dobbelte rød stjerne angiver statistisk signifikans på 0,1% niveau. I hvert panel, blev en række kræftpatienter ikke tilføjet til undergrupperne grund ufuldstændige patologi rapporter

Figur 4b adskiller lungekræft patienten efter deres scene:. Stage IN = 10, fase II N = 8, trin III N = 10 og trin IV N = 10 (8 patienter kræft etape var uklassificeret). Uanset cancer fase LEBS markør er en meget væsentlig indikator for tilstedeværelsen af ​​lungekræft med P≤0.001. Tilsvarende figur 4c viser, at LEBS markør er lige så følsom over for læsioner findes i både højre og venstre lunge (P 0,001 i hvert tilfælde).

Potentielle confoundere

For at undersøge effekten af forstyrrende faktorer på vores resultater, vi udførte en analyse af kovarians (ANCOVA) med LEBS markør som den afhængige variabel og tilstedeværelsen af ​​neoplasi, rygning (pakke-år) historie, alkohol historie, race, køn, alder og personlige og familiemæssige historie af kræft som prædiktorer (tabel 3). Efter at inkorporere disse forstyrrende faktorer i vores model, den LEBS markør forblev en yderst signifikant prædiktor for tilstedeværelse af lungecancer med P 0,001. Samtidig, hver af de forstyrrende faktorer havde en ubetydelig effekt (P 0,05). På LEBS markør

Diskussion

Vi viste heri, at buccal forhør med LEBS kunne at skelne mellem rygere med og uden samtidig lungekræft. Vigtigere, buccal LEBS var i stand til at sanse både tidligt og sent lungekræft. Endvidere mens datasættet var beskeden, der ikke synes at være nogen betydelige forskelle baseret på tumor histologi. Fra et diagnostisk synspunkt, udførelsen syntes fremragende med kun to optiske markører og således undgå bekymringer end fitting. Desuden brug af en uafhængig validering sæt, som er afgørende for enhver biomarkør udvikling, understregede potentielle robusthed af resultaterne.

Fra et klinisk perspektiv, kan LEBS hjælpe løse ineffektivitet i det nuværende screening tilgange for lungekræft, som resultere i mest positive testresultater er falske positive (-99%). Faktisk da forekomsten af ​​sygdommen er lav, selv i befolkningen den høje risiko (90% af rygerne vil aldrig få lungekræft), vil de fleste positive resultater viser sig at være falsk positiv. Derfor bruger en test, der muliggør en undergruppe af patienter til undg mere invasive procedurer (fx LDCT) vil berige populationsscreening med de patienter med størst risiko for lungekræft, og derfor nedsætte det samlede antal falske positiver. For eksempel Kovalchik og kolleger risikerer stratificerede patienter ved hjælp en forholdsvis besværlig klinisk indeks, der viser en forbedring i antallet af patienter skulle screenes for at forhindre en lungekræft død for højere risiko patienter (302 i hele NLST kohorte versus 171 og 161 i de øverste to risikofaktorer kvintiler henholdsvis) [23]. Men de to øverste kvintiler kun omfattede cirka to tredjedele af kræfttilfælde, hvilket understreger den afvejning mellem minimere falske positiver og maksimere patienter. Denne kliniske bekymring understreges af det faktum, at når NLST kriterium blev anvendt på Prostate, Lung, tyktarmen og æggestokkene (PLCO) kræftscreening Trial kohorte, vil kun 72% af lungekræft patienter har været berettiget til LDCT [24].

for at forbedre effektiviteten af ​​kræftscreening, har en to-trins tilgang ofte blevet anbefalet. Efter denne metode patientens risiko for sygdom er først vurderes ved hjælp af en minimalt invasiv risiko lagdeling teknik. Patienter fundet at være i høj risiko derefter kanaliseret ind i mere invasive procedurer for bekræftelse. For eksempel i kolorektal cancer en fækal prøve efterfulgt af koloskopi eller livmoderhalskræft en celleprøve for at afgøre, hvilke patienter har brug kolposkopi. Mens der er en række lovende risiko lagdeling teknikker under udvikling (herunder serum og spyt test), disse store og hele bygger på påvisning små mængder af cirkulerende eller expectorate tumor produkter, som kan være ganske udfordrende. Derfor evaluere felt carcinogenese er særligt attraktivt, da det afspejler det komplekse samspil mellem en patients genetik og miljømæssige fornærmelse (rygning, luftkvalitet, osv). Sådanne interaktioner kan afgøre, hvorfor kun en lille brøkdel af rygere nogensinde udvikle lungekræft.

Lungekræft indbegrebet feltet effekt af carcinogenese. Dette koncept postulerer, at den delte genotoksisk miljø (både miljø /rygning og genetiske), der resulterer i et samlingspunkt neoplastisk læsion i lungerne også diffust fremmer en øget mutations rate ( “frugtbare felt”), som derefter stokastisk fører til tumorer. Faktisk er hele aero-fordøjelsessystemet slimhinde “fordømte” af eksponering tobak og dermed patienter med lungekræft er også risiko for oro-svælg, esophageal skællede og anden primær lungekræft. Dette er veletableret i de bronchiale mucosa med ændringer i EGFR, p53, gen methylering osv tidligere er blevet observeret [25]. Derudover har der været talrige genekspression undersøgelser om rygning-induceret ændringer i de bronchiale transcriptosome [26], [27]. Vigtigere er det, mens nogle af disse ændringer vendt med rygestop, andre var irreversibel konsonant med det langsigtede risiko i tidligere rygere.

Selv om der længe været etableret begrebet felt carcinogenese, er det først for nylig, at det har været udnyttes til diagnostik. For eksempel, i en skelsættende rapport fra Spira og kolleger, de bemærkede et panel af 80 gener opnået fra de normale højre hovedstammebronkie havde 80% sensitivitet og 84% specificitet for at skelne mellem de kontroller og kræft [8]. For nylig Blomquist og kolleger brugte en 14 gensæt fra bronchial mucosa og opnåede en AUC på 0,82 til 0,87 for kræsne kontrol rygere fra dem med cancer [28]. Således har tidligere undersøgelser vist potentiale kliniske relevans af analyse felt carcinogenese.

Fra et teleologisk perspektiv, felt carcinogenese vurdering repræsenterer en attraktiv tilgang til lunge risikoanalyse. Specifikt mens cigaretrygning er ansvarlig for størstedelen af ​​lungekræft, kun en lille andel af rygere (~ 10%) vil nogensinde udvikle lungekræft. Mens en del af dette er bestemt af rygning faktorer (intensitet, varighed), dette er kun en del af problemet, da værten faktorer er afgørende for, neoplastisk lydhørhed over for den kræftfremkaldende fornærmelse af cigaretrøg. Faktorer såsom familie historie, køn, polymorfier i gener (især dem med høj prævalens, lav penetrans genetiske polymorfier i metabolizing kræftfremkaldende), og markører for vævsskade (KOL osv) er veletablerede at være korreleret som modifikatorer af miljømæssig risiko for lungekræft . Felt carcinogenese er særligt attraktivt, da det afspejler det komplekse samspil mellem miljømæssige risikofaktorer og vært modtagelighed.

For teknikker, der anvender felt carcinogenese at være muligt for befolkningen i hele screening, er en begrænset indgriben påkrævet. I denne henseende er det blevet bemærket, at også kunne detekteres rygning inducerede ændringer i bronchieepithelceller transcriptosome i mundslimhinden omend denne noget blev korrumperet af spyt-RNaser [27]. Derudover analyse af mundslimhinden for glutathion S-transferase P1 ekspression, p16 methylering eller allelisk tab (9p21, 17p13 og 5q21) diskriminerede mellem rygere med og uden samtidig lungecancer [29]. Disse resultater er blevet spejlet fra en ultra-strukturelt perspektiv med buccal epitelial nukleare tekstur (DNA-specifik Feulgen-thionin plet scannet med en høj opløsning cytometer) eller cellulær organisation med delvis bølge spektroskopisk mikroskopi [30].

mens vores bukkai LEBS data biologisk bygger på resultaterne af de teknikker der er beskrevet ovenfor, anvendelse af optik har nogle vigtige potentielle fordele. For det første tilgang er særlig stærk på grund af sin lethed-i-brug og bekvemmelighed, især med den minimalt invasive 3,4 mm fiberoptiske LEBS sonde. Desuden kan der være særlige fordele med hensyn til at se på væv mikro /nano-arkitektur. For eksempel, i stort set alle typer kræft, som vores gruppe har undersøgt (kolon [3], [7], [11], bugspytkirtel [3], [11], og nu lunge) har vi set en stigning i fordelingen massefylde . Det faktum, at dette væv ejendom ændringer i samme retning på tværs af organer i marken carcinogenese Trods helt anderledes genetiske /epigenetisk makeup kan repræsentere en fælles vej i begyndelsen af ​​kræft progression. Det forhold, at en lignende størrelsesorden af ​​LEBS markør blev set uanset lungekræft histologi trods forskellige forstadielæsioner understøtter denne idé (selvom vi anerkender, at det er meget spekulativt på dette tidspunkt).

Mens den biologiske fundament for feltet carcinogenese forblive ufuldstændigt forstået, den optiske parameter giver grundlæggende indsigt i tissue micro-struktur. En fuldstændig diskussion af sammenhængen mellem optiske egenskaber og væv mikro /nano-struktur er uden for rammerne af denne kliniske rapport, men er blevet beskrevet tidligere [3], [12]. Kort beskrevet stigningen i værdien af ​​indikerer et skift i væv struktur mod større størrelser. Eksempler på processer, som kan føre til en sådan ændring omfatter chromatinkondensering i kernen eller collagen fiber tværbinding i den ekstracellulære matrix. Faktisk det bærer nævne, at mange af de fysiske ændringer i forbindelse med felt carcinogenese indregnes ligeledes kendetegnende for neoplastisk transformation. For eksempel, når dens værdi er mindre end 3, repræsenterer massen fraktale dimension, en fysisk parameter, der er veletableret for cancerdiagnose og prognosticering [31].

Der er nogle begrænsninger af denne undersøgelse, der bør anerkendes . For det første kan den beskedne størrelse af denne case-kontrol undersøgelse ikke give en endelig bestemmelse af den diagnostiske resultater, men snarere demonstrerer en første proof-of-principle.