Биолог МГУ Ксения Морозова использует возможности КР-спектрометра и методов ИИ в диагностике глиом

Аспирантка биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Ксения Игоревна Морозова получила грантовую поддержку фонда «Интеллект» на исследование опухолей головного мозга у пациентов. Основной фокус — глиомы. В чем опасность этих новообразований? Каковы основные методы их диагностики? Как метод КР-спектрометрии, совмещенный с возможностями искусственного интеллекта, может повысить шансы пациентов на успешное выздоровление?

Коварное заболевание детей и взрослых

Глиомы — опухоли, поражающие глиальные клетки головного или спинного мозга. Их выявляют как у взрослых, так и у детей. Симптомы этого заболевания во многом зависят от локализации новообразования и степени его злокачественности. Глиома может стать причиной головных болей, судорог, рвоты и поражения черепно-мозговых нервов. Всемирная организация здравоохранения выделяет четыре степени тяжести этого заболевания, последняя из них — мультиформная глиобластома — с трудом поддается лечению. Для выздоровления пациента обычно используют методы химио- и лучевой терапии, а также хирургического удаления, но, к сожалению, первый метод не всегда оказывается эффективным, так как мозг человека защищен гематоэнцефалическим барьером (ГЭБ), который не пропускает вещества, распознаваемые как чужеродные. Это защищает человека в обычной жизни, но в случае с опухолью головного мозга это затрудняет медикаментозное лечение. Хирургическое удаление тоже не всегда оказывается успешным, поскольку если глиобластому удаляют менее чем на 90%, то с большой вероятностью она вновь продолжит расти. Однако именно хирургию часто выбирают в качестве основного метода лечения.

«До проведения операции хирургу нужно определить границы опухоли. Это позволит понять, сколько ткани необходимо вырезать у пациента для того, чтобы опухоль с наименьшей вероятностью продолжила свой рост. Поэтому при подготовке к операции пациент проходит обследование методом магнитно-резонансной томографии (МРТ) — золотым стандартом диагностики опухолей головного мозга, позволяющим определить расположение опухоли и ее примерные границы. Но у этого метода диагностики есть существенные ограничения, связанные с его высокой стоимостью и сложностями при использовании во время операций. Возможность оценить прямо на месте, все ли раковые клетки удалены, позволила бы повысить вероятность скорейшего выздоровления пациента», — отметила автор исследования К.И. Морозова.

Спасительный зонд

Как предполагает К.И. Морозова, оценить, все ли раковые клетки были удалены во время операции, мог бы специальный диагностический зонд на основе КР-спектрометра, который в отличие от МРТ будет более компактным и доступным — ему требуются лишь чувствительные детекторы и лазер.

В настоящее время К.И. Морозова исследует под руководством кандидата биологических наук Н.А. Браже особенности фиксированных образцов тканей пациентов при помощи КР-спектрометров, расположенных на кафедре биофизики биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и в лаборатории молекулярной биофизики Института биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН.

«Основной метод, который я использую в своем исследовании, — спектроскопия комбинационного рассеяния. Это очень чувствительный метод, позволяющий получить много информации об образце, так как спектры, которые мы регистрируем, состоят из большого количества пиков. Соотношение амплитуд этих пиков и их набор уникальны для каждого образца. Это как отпечатки пальцев, и мы можем различать их с достаточной точностью», — сказала К.И. Морозова.

Но анализ спектров комбинационного рассеяния — очень сложная процедура. Трудности возникают из-за того, что пиков много и они разной амплитуды. Таким образом, комплексность этого метода становится минусом, ведь врач не имеет возможности долго обдумывать поступающую информацию — решение нужно принимать здесь и сейчас. Поэтому метод КР-спектроскопии пока не так распространен в медицине, как МРТ, хотя, как предполагают авторы исследования, уже в ближайшее время он имеет все шансы стать возможным альтернативным решением для качественной диагностики. А автоматизировать и ускорить анализ данных могут методы искусственного интеллекта (ИИ). К.И. Морозова надеется, что совокупность метода КР-спектроскопии и ИИ поможет в дальнейшем выявить маркеры, на основе которых можно будет разработать лекарственные препараты, направленные на конкретную метаболическую особенность.

«Применение искусственного интеллекта в моей работе имеет два направления. С одной стороны, сейчас мы собираем массив данных спектров КР, зарегистрированных от тканей мозга пациентов с глиомами. Важная задача — попробовать написать нейронную сеть, которая сможет достаточно точно различать здоровые и опухолевые ткани, чтобы создать инструмент диагностики глиом. Поскольку эти спектры многокомпонентные, мы предполагаем, что их классификация может дать достаточно многообещающие результаты. С другой стороны, анализ спектров комбинационного рассеяния достаточно сложен и требует коррекции базовой линии. Есть множество алгоритмов коррекции базовой линии, но все они могут дать какую-то погрешность при анализе амплитуд пиков. К сожалению, тот алгоритм, который мы используем, — практически ручная обработка данных. Тем не менее у нас собран достаточный массив спектров, обработанных вручную. Используя его, мы надеемся разработать еще один алгоритм коррекции, основанный уже на методах ИИ», — рассказала К.И. Морозова.

К.И. Морозова надеется, что при успешном создании достаточно точного алгоритма классификации на основе подготовленного массива данных ее исследование перейдет к этапу проведения испытаний на животных. 

Другие исследования лаборатории

Помимо изучения глиом на кафедре биофизики биологического факультета МГУ, сотрудники лаборатории совместно с лабораторией внесинаптической передачи Института биоорганической химии РАН занимаются исследованиями мозга и при других патологиях, в том числе при болезни Альцгеймера и инсульте. Они также изучают влияние различных диет и физических нагрузок на функциональное состояние мозга и организма в целом, рассматривают процессы старения. Как отметила К.И. Морозова, исследования проводятся не только на срезах тканей и культурах клеток, но и непосредственно на мозге животных. Например, в лаборатории был разработан подход, позволяющий регистрировать спектры КР от клеток мозга и кровеносных сосудов бодрствующих животных в покое и во время физической активности (бега). Это позволяет наблюдать изменения степени насыщенности крови кислородом и сопряженные с ними процессы дыхания в клетках головного мозга при движении животного в режиме реального времени. «И в этом мы действительно первые», — заключила К.И. Морозова.