Перспективы использования раман-флюоресцентных медицинских технологий в ранней диагностике воспалительных и опухолевых заболеваний головы и шеи с целью повышения качества оказания медицинской помощи: краткий обзор и результаты собственных исследований

Качество оказания медицинской помощи зависит от многих параметров, в том числе от эффективного использования высокотехнологичных медицинских вмешательств с целью ранней идентификации заболеваний. На сегодняшний день важно применение таких технологий, которые позволят провести неинвазивную высокоспецифичную, точную и высокочувствительную экспресс-диагностику в режиме реального времени. В данном случае интерес представляют раман-флюоресцентные медицинские технологии в диагностике патологии воспалительного и опухолевого генеза, включая заболевания головы и шеи. В данной статье представлен краткий обзор перспектив применения рaман-флюоресцентной спектрометрии в совокупности с методами машинного обучения с целью ранней индикации заболеваний головы и шеи и приведены некоторые результаты собственных исследований. В основе использованной методики лежат феномены аутофлюoресценции тканей и рамановского рассеяния света. В статье представлены результаты применения раманфлюоресцентной спектрометрии для дифференциальной диагностики заболеваний уха и слюнных желез. В перспективе описанный метод при разработке специальных алгоритмов диагностики может быть использован в клинической медицине с целью повышения качества оказания медицинской помощи.

1. Огнерубов Н.А., Шатов А.В., Шатов И.А. Радиогеномика и радиомика в диагностике злокачественных опухолей: обзор литературы. Вестник российских университетов. Математика. 2017; № 6–2.

2. Brady S.M., Highnam R., Irving B., Schnabel J.A. Oncological image analysis. Med Image Anal. 2016; 33: 7–12. DOI: 10.1016/j.media.2016.06.012.

3. Siegel R.L., Miller K.D., Fuchs H.E., Jemal A. Cancer Statistics. CA Cancer J Clin. 2021; 71 (1): 7–33. DOI: 10.3322/caac.21654.

4. Aupérin A. Epidemiology of head and neck cancers: an update. Curr Opin Oncol. 2020; 32 (3): 178–186. DOI: 10.1097/CCO.0000000000000629.

5. Johnson D. E., Burtness B., Leemans C. R. et al. Head and neck squamous cell carcinoma. Nat Rev Dis Primers. 2020; 6, 92. https://doi.org/10.1038/s41572–020–00224–3

6. Song J.S., Vallanc, P., Biron V. et al. Epidemiological trends of head and neck Cancer survivors in Alberta: towards improved understanding of the burden of disease. J of Otolaryngol – Head & Neck Surg. 2020; 49, 46. https://doi.org/10.1186/s40463–020–00443–4

7. Guo K., Xiao W., Chen X., Zhao Z., Lin Y., Chen G. Epidemiological Trends of Head and Neck Cancer: A Population-Based Study. Biomed Res Int. 2021; 2021: 1738932. DOI: 10.1155/2021/1738932.

8. López F., Mäkitie A., de Bree R., Franchi A., de Graaf P., Hernández-Prera J.C., Strojan P., Zidar N., Strojan Fležar M., Rodrigo J.P. et al. Qualitative and Quantitative Diagnosis in Head and Neck Cancer. Diagnostics. 2021; 11, 1526. https://doi.org/10.3390/diagnostics11091526

9. Baik F.M., Hansen S., Knoblaugh S.E., et al. Fluorescence Identification of Head and Neck Squamous Cell Carcinoma and High-Risk Oral Dysplasia With BLZ-100, a Chlorotoxin-Indocyanine Green Conjugate. JAMA Otolaryngol Head Neck Surg. 2016; 142 (4): 330–338. DOI: 10.1001/jamaoto.2015.3617.

10. Aндрюков Б.Г., Карпенко А.А., Матосова Е.В., Ляпун И.Н. Рамановская спектроскопия – современная диагностическая технология для изучения и индикации возбудителей инфекций (обзор). Соврем. технол. мед.2019; № 4.

11. Сui S., Zhang S., Yue S. Rаman Spеctroscopy and Imаging for Cancer Diagnosis. J Healthc Eng. 2018.

12. Chi Zhаng, Delong Zhang, Ji-Xin Cheng. Cohеrent Raman Scattering Microscopy in Biology and Mеdicine. Annual Review of Biomedical Engineering. 2015; 17: 415–445.

13. Kenny Kоng, Catherine Kеndall, Nicholas StoneIoan Notingher. Raman spectroscopy for medical diagnostics. From in-vitro biofluid assays to in-vivo cancer detection. Advanced Drug Delivery Reviews. 2015; 89. P. 121–134.

14. Sishаn Cui, Shuo Zhang, Shuhua Yue. Rаman Spectrоscopy and Imaging for Cancer Diagnosis. Journal of Healthcare Engineering. 2018; P. 1–11.

15. Miles B. A., Patsias A., Quang T., Polydorides A. D., Richards-Kortum R., Sikora A.G. Operative margin control with high-resolution optical microendoscopy for head and neck squamous cell carcinoma. Laryngoscope. 2015; 125 (10): 2308–16. DOI: 10.1002/lary.25400.

16. Sciortino T., Secoli R., d’Amico E., Moccia S., Conti Nibali, M., Gay L., Rossi M., Pecco N., Castellano A., De Momi E., Fernandes B., Riva M., Bello L. Raman Spectroscopy and Machine Learning for IDH Genotyping of Unprocessed Glioma Biopsies. Cancers. 2021; 13, 4196. https://doi.org/10.3390/cancers13164196

17. Jeng M. J., Sharma M., Sharma L., Chao T.Y., Huang S. F., Chang L. B., Wu S. L., Chow L. Raman Spectroscopy Analysis for Optical Diagnosis of Oral Cancer Detection. J Clin Med. 2019; 8 (9): 1313. DOI: 10.3390/jcm8091313.

18. Singh S.P., Xia A., Tusty M., Victorovich Malkovskiy A., Easwaran M., Zarabanda D., Valdez T. A. Identification of early inflammatory changes in the tympanic membrane with Raman spectroscopy. Analyst. 2019; 144 (22): 6721–6728. DOI: 10.1039/c9an01772k.

19. Goulart A.C.C., Silveira L. Jr, Carvalho H.C., Dorta C.B., Pacheco M.T.T., Zângaro R.A. Diagnosing COVID-19 in human serum using Raman spectroscopy. Lasers Med Sci. 2022; 1–10. DOI: 10.1007/s10103–021–03488–7.

20. Tan Y., Yan B., Xue L., Li Y., Luo X., Ji P. Surface-enhanced Raman spectroscopy of blood serum based on gold nanoparticles for the diagnosis of the oral squamous cell carcinoma. Lipids Health Dis. 2017; 16 (1): 73. DOI: 10.1186/s12944–017–0465-y.

21. Noonan J., Asiala S.M., Grassia G., MacRitchie N., Gracie K., Carson J., Moores M., Girolami M., Bradshaw A.C., Guzik T.J., Meehan G.R., Scales H.E., Brewer J.M., McInnes I.B., Sattar N., Faulds K., Garside P., Graham D., Maffia P. In vivo multiplex molecular imaging of vascular inflammation using surface-enhanced Raman spectroscopy. Theranostics 2018; 8 (22): 6195–6209. DOI: 10.7150/thno.28665.

22. Пoтапов А. А., Гaврилов А. Г., Гoряйнов С. А. и соавт. Интраоперационная флуоресцентная диагностика и лазерная спектроскопия в хирургии глиальных опухолей головного мозга. Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2012; 76 (5). С. 3–12.

23. Бaбкина А. С. Лазер-индуцированная флуоресцентная спектроскопия в диагностике тканевой гипоксии (обзор). Общая реаниматология. 2019; 15 (6). С. 50–61.

24. Dubey V., Ahmad A., Singh R., Wolfson D.L., Basnet P., Acharya G., Mehta D.S., Ahluwalia B. S. Multi-modal chip-based fluorescence and quantitative phase microscopy for studying inflammation in macrophages. Opt Express. 2018; 26 (16): 19864–19876. DOI: 10.1364/OE.26.019864.

25. Albokai N., Liu L., Alragawi A. and Albokai A. Improving the Quality of Healthcare by Using Information Technology System in the Hospitals of Yemen. Open Journal of Business and Management. 2019; 7, 728–754. DOI: 10.4236/ojbm.2019.72049.

26. Shang L. W., Ma D. Y., Fu J. J., Lu Y. F., Zhao Y., Xu X. Y., Yin J. H. Fluorescence imaging and Raman spectroscopy applied for the accurate diagnosis of breast cancer with deep learning algorithms. Biomed Opt Express. 2020; 11 (7): 3673–3683. DOI: 10.1364/BOE.394772.

27. Maruthamuthu M. K., Raffiee A. H., De Oliveira D. M., Ardekani A. M., Verma M. S. Raman spectra-based deep learning: A tool to identify microbial contamination. Microbiologyopen. 2020; 9 (11): e1122. DOI: 10.1002/mbo3.1122.

28. Taiwo O., Ezugwu A.E. Smart healthcare support for remote patient monitoring during COVID-19 quarantine. Inform Med Unlocked. 2020; 20: 100428. DOI: 10.1016/j.imu.2020.100428.

29. Mohammed K.I., Zaidan A.A., Zaidan B.B. et al. Real-Time Remote-Health Monitoring Systems: A Review on Patients Prioritisation for Multiple-Chronic Diseases, Taxonomy Analysis, Concerns and Solution Procedure. J Med Syst. 2019; 43, 223. https://doi.org/10.1007/s10916–019–1362-x

30. Shah S. S., Gvozdanovic A., Knight M., Gagnon J. Mobile App-Based Remote Patient Monitoring in Acute Medical Conditions: Prospective Feasibility Study Exploring Digital Health Solutions on Clinical Workload During the COVID Crisis. JMIR Form Res 2021; 5 (1): e23190. DOI: 10.2196/23190.

31. Kelly J.T., Campbell K.L., Gong E., Scuffham P. The Internet of Things: Impact and Implications for Health Care Delivery. J Med Internet Res. 2020; 22 (11): e20135. DOI: 10.2196/20135.