Для хирургического лечения опухолей мозга чрезвычайно важно полностью их удалить и при этом максимально сохранить здоровую ткань. Чтобы сделать такие операции безопаснее и эффективнее, их предлагается сопровождать анализом тканей с помощью масс-спектрометрии, которая хорошо «видит» границы опухоли. Ученые из МФТИ, которые исследуют эту проблематику с 2016 года, подготовили по ней обзорную статью для журнала Mass Spectrometry Reviews и поделились своими достижениями.
Игорь Попов и Станислав Пеков в лаборатории молекулярной медицинской диагностики МФТИ
Онкологические болезни входят в число главных причин заболеваемости и смертности в мире. В случае опухолей головного мозга лечение особенно затруднено, так как доступ к ним со всех сторон закрывают череп и очень чувствительная нервная ткань. Перед хирургом стоит ответственная задача: как можно полнее удалить опухоль (в противном случае возрастает риск повторного заболевания) и в то же время максимально сохранить нервную ткань и тем самым — функции мозга. Поэтому современные врачи используют дополнительные методы, которые различают границы опухоли, — в том числе прямо на операционном столе.
Среди них выделяется масс-спектрометрия (МС), которая идентифицирует различные вещества и определяет их концентрацию, а также элементный и изотопный состав. Для этого исходно не имеющие заряда молекулы ионизируют — то есть превращают в заряженные частицы, — и оценивают характерное для них отношение массы к величине заряда. Коллектив физиков, химиков и системных биологов из МФТИ с 2016 года исследует использование масс-спектрометрии для принятия врачебных решений при лечении опухолей мозга. Свой опыт они суммировали в новой обзорной статье, опубликованной в журнале Mass Spectrometry Reviews.
«Мы применяем вычислительную биологию для исследования молекулярных механизмов, сопровождающих злокачественное перерождение глиальных клеток. Используемые сейчас клеточные и животные модели плохо воспроизводят происходящее в тканях мозга реальных пациентов. Поэтому мы анализируем большие наборы данных, полученные при исследовании клинических образцов, и выявляем характерные “молекулярные отпечатки пальцев” различных опухолей», — рассказал Станислав Пеков, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной медицинской диагностики МФТИ.
Различия между опухолью и окружающей нормальной тканью заключаются в биохимических особенностях, связанных с патологическими мутациями. Заметить такие маркеры во время операции и в ходе дальнейшего лечения помогает масс-спектрометрия. Особую роль в этом процессе играет одна из разновидностей МС — прямая масс-спектрометрия, или масс-спектрометрия без пробоподготовки (ambient ionization mass spectrometry, AIMS).
Есть три главные группы методик на основе МС: онлайн-, офлайн- и подходы на основе ионизации при касании (touch-spray).
Онлайн-методики предполагают использование масс-спектрометра прямо во время операции и самим хирургом. Подход реализован на основе диатермического ножа (по сути является электродом и вызывает коагуляцию тканей за счет нагрева) и масс-спектрометрии с быстрой испарительной ионизацией (rapid evaporative ionization mass spectroscopy, REIMS). Забор материала, его подготовка и анализ с помощью искусственного интеллекта позволяют получить точный результат всего за 0,7–2,5 секунды. Но такие методики имеют и ограничения, связанные с нагревом тканей, дополнительной нагрузкой на хирурга, использованием в операционной специальных приборов и т. д.
Офлайн-методы, напротив, предполагают привлечение дополнительного персонала и перемещение оборудования за пределы операционной. Это разгружает хирурга, но и делает анализ более длительным. Зато такие методики проще ввести в клинику, так как не требуется сертифицировать дополнительное оборудование в операционной. Именно такой подход и развивают исследователи из МФТИ:
«Вместе с коллегами из НМИЦ нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко мы разработали методы экспресс-анализа, которые не только отличают глиомы от окружающей ткани, но и определяют долю опухолевых клеток в образцах (как на периферии опухоли, так и в ее некротизирующемся ядре). Такой подход также позволяет быстрее поставить точный диагноз и назначить нужную терапию после операции», — поделился Игорь Попов, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией молекулярной медицинской диагностики МФТИ.
Наконец, третья группа — это методы на основе масс-спектрометрии с ионизацией касанием (touch-spray). Они похожи на офлайн-методы, поскольку пробы также сперва переносят к масс-спектрометру вне операционной. С другой стороны, touch-spray-методики не требуют обязательного рассечения ткани для анализа и потому более щадящие. Они также полезны для принятия решений о том, где именно хирургу лучше сделать разрез.
Отдельно ученые из МФТИ рассмотрели нейровизуализацию на основе масс-спектрометрии — получение изображений органов, которые позволяют изучать их структуру. Такие методы нельзя использовать во время операции, поскольку они требуют длительного анализа. Зато они полезны в случае сложных образцов неоднородных опухолей.
2
