Цель исследования: повысить эффективность диагностики заболеваний шейки матки (ШМ).
Материалы и методы. Для решения поставленной цели обследованы 170 женщин, из них 120 — с заболеваниями ШМ и 50 – с отсутствием заболеваний ШМ. Всем пациенткам проводили цитологическое исследование соскоба с шейки матки, расширенная кольпоскопия, инфракрасная (ИК) спектрометрия и радиоволновая эксцизия ШМ (по показаниям); комплекс методов лабораторной диагностики генитальных инфекций; обследование на вирус папилломы человека (ВПЧ) методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), в том числе типирование ВПЧ, определение вирусной нагрузки. ИК-спектрометрия — это математическая модель заболевания, основанная на изменении пиков полос поглощения белковых структур. Изменения структуры белка могут быть легко обнаружены в ИК-спектре и использованы как молекулярные маркеры для определения патологического состояния тканей. Всем пациенткам выполняли спектрометрическое исследование сыворотки крови. При сопоставлении полученных результатов с верифицированными диагнозами были получены трехмерные диагностические ИК-спектрометрические критерии в виде многогранников в ортогональной системе координат (X, Y, Z) для женщин с отсутствием гинекологических заболеваний и CIN I, CIN II р16-негативных, CIN II р16-позитивных и CIN III).
Результаты. Определены комплексы характеристических спектров поглощения сыворотки крови в диагностике заболеваний ШМ. Установлена чувствительность ИК-спектрометрии (95%) в диагностике заболеваний ШМ, которая превосходит данный показатель при цитологическом (67%) и кольпоскопическом (63%) методах исследования. Диагностическая точность ИК-спектрометрии сыворотки крови – 90%, специфичность – 92%.
Выводы. Разработанный способ диагностики заболеваний ШМ рекомендуется в качестве метода скрининговой диагностики в женских консультациях и гинекологических стационарах. Применение метода позволит значительно сократить сроки обследования больных, улучшить диагностику заболеваний ШМ, исключить необоснованное хирургическое лечение и получить значительный экономический эффект.
Ключевые слова: инфракрасная спектрометрия, основные методы диагностики, патология шейки матки
Ионова Е.В., Боровкова Л.В., Игнатьев А.А. Применение метода инфракрасной спектрометрии сыворотки крови для диагностики заболеваний шейки матки // Женское здоровье и репродукция: сетевое издание. 2020. № 3 (46). URL: http://whfordoctors.su/statyi/primenenie-metoda-infrakrasnoj-spektrometrii-syvorotki-krovi-dlja-diagnostiki-zabolevanij-shejki-matki/(дата обращения: дд.мм.гггг)
Ионова Евгения Владимировна — ассистент кафедры акушерства и гинекологии ФГБОУ ВО «ПИМУ» Минздрава России. 603005, Россия, г. Нижний Новгород, пл. Минина и Пожарского, 10/1. E-mail: Evgenia.Ionova@mail.ru
Боровкова Людмила Васильевна — д. м. н., профессор, зав. кафедрой акушерства и гинекологии ФГБОУ ВО «ПИМУ» Минздрава России. 603005, Россия, г. Нижний Новгород, пл. Минина и Пожарского, 10/1. https://orcid.org/0000-0002-7643-3019. E-mail: borovkovalv@yandex.ru
Игнатьев Александр Арсентьевич — к. м. н., ООО «Медицинская диагностика». 603064, Нижний Новгород, ул. Новикова-Прибоя, 12А.
THE USE OF INFRARED BLOOD SERUM SPECTROMETRY FOR CERVICAL DISORDER DIAGNOSIS
L. V. Borovkova1, E. V. Ionova1, A. A. Ignatiev2
1Privolzhsky Research Medical University of the Ministry of Health of the Russian Federation; Nizhny Novgorod, Russia
2Meditsinskaya Diagnostika LLC; Nizhny Novgorod, Russia
Abstract
Study Objective: To improve cervical pathologies diagnosis.
Materials and Methods. We examined 170 women, of which 120 had cervical disorders and 50 did not have cervical pathologies. All patients underwent cytologic screening, extended colposcopy, infrared (IR) spectroscopy, and radio-wave cervix excision (if medically required), a number of laboratory tests to diagnose genital infections; human papilloma virus (HPV) PCR test, including HPV typing, and viral load determination. IR spectrometry is a mathematical model of the disease based on the changes in the peaks of protein absorption bands. Changes in protein structures are easy to identify in IR spectrum; they can be used as molecular markers of tissue pathologies. All patients had blood spectrum spectrometry. When the results were compared with verified diagnoses, 3D diagnostic IR spectrometric criteria were obtained in the form of polygons in the orthogonal axes (X, Y, Z) for women without gynaecological disorders and CIN I, CIN II р16-negative, CIN II р16-positive, and CIN III.
Results. Sets of characteristic absorption spectra for blood serum in the diagnosis of cervical pathologies were determined. We determined the sensitivity of IR spectrometry (95%) in the diagnosis of cervical disorders, which is superior to the sensitivity of cytological (67%) and colposcopic (63%) screening. The diagnostic accuracy of IR spectroscopy is 90%, and the specificity is 92%.
Conclusions. The proposed method for the diagnosis of cervical disorders is recommended as a screening method in women’s health clinics and gynaecological hospitals. The method will allow reducing the duration of patient examination, improving cervical pathology diagnosis, preventing unjustified surgeries, and saving money.
Keywords: infrared spectrometry, primary diagnostic techniques, cervical pathology
Л.В. Боровкова1, Е.В. Ионова1, А.А. Игнатьев2
1«Приволжский исследовательский медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации; Россия, г. Нижний Новгород
2ООО «Медицинская диагностика»; Россия, г. Нижний Новгород
В настоящее время в структуре заболеваемости злокачественными новообразованиями у женского населения рак шейки матки (РШМ) занимает 6-е место и составляет 4,8% [1]. В период с 2006 по 2018 г. в России абсолютное число впервые в жизни установленных диагнозов злокачественного новообразования шейки матки (ШМ) выросло с 12 814 до 17 766 новых случаев, каждый второй заканчивается смертью пациентки [1]. Частота выявления запущенных стадий РШМ среди женщин репродуктивного возраста увеличилась на 32,9% [1].
Актуальность проблемы связана не только с ростом заболеваемости РШМ, но и существенным «омоложением», то есть каждый 5-й РШМ диагностируется в возрастной группе от 15 до 39 лет, а 42,4% выявленных CIN II — CIN III приходится на ранний репродуктивный возраст до 35 лет [1—9].
Основной профилактикой злокачественной трансформации доброкачественных заболеваний ШМ является раннее их выявление, однако именно на этом этапе рутинные методы диагностики проявляют недостаточную эффективность. В настоящее время в практическом здравоохранении для диагностики заболеваний ШМ используются цитологическое исследование мазков с влагалищной части шейки матки и из цервикального канала (чувствительность 55 — 74%, специфичность 65 — 70%), расширенная кольпоскопия (чувствительность 60 — 80%, специфичность 40 — 50%), ВПЧ-тестирование (чувствительность 68 — 88%, специфичность 68 — 97%) [2—9]. Несмотря на их высокую информационную значимость, частота раннего выявления рака не увеличивается.
Очевидно, что внедрение дополнительных диагностических методик, отличающихся простотой применения, высокой чувствительностью и специфичностью, позволит повысить эффективность выявления потенциально обратимых эпителиальных изменений, снизить количество необоснованных инвазивных лечебно-диагностических манипуляций.
Цель исследования — дать научное обоснование возможности включения метода ИК-спектрометрии сыворотки крови в комплексную раннюю диагностику доброкачественных и предраковых заболеваний ШМ.
Материалы и методы
Теоретическим обоснованием исследования является гипотеза о наличии в сыворотке крови количественно-качественных соотношений веществ, несущих информацию о нарушении метаболических соотношений при реактивных изменениях клеток. Многими авторами при исследовании большого числа молекул, содержащих одинаковые химические группы, получены данные, что эти группы поглощают энергию в узком интервале частот, независимо от изменений в остальных частях молекулы. Эти частоты получили название характеристических, или групповых. К ним относятся С-Н, СH2, CH3, O-H, N-H, NH2, C=C, C=O, NO2, P=O, P-O-P и др. [10—12]. Существование характеристических частот связано с тем, что в колебании принимает активное участие не вся молекула, а только группа атомов, хотя меняются длины связей и величины углов между ними при каждом колебании. Это приводит к тому, что все органические вещества или смеси веществ имеют индивидуальные неповторимые ИК-спектры, которые можно интерпретировать качественно и количественно. Часто колебательный спектр сравнивают с дактилоскопическим отпечатком. Областью «отпечатков пальцев» выступает область частот ИК-спектра, в которой общая картина спектра наиболее чувствительна к малейшим изменениям в структуре молекулы и вещества [10—12].
Сыворотка крови представляет собой сложную биологическую жидкость, подчиняющуюся единым физико-химическим принципам и отражающая все процессы, протекающие в организме [10—12]. Метод спектрального анализа сыворотки крови основан на наличии пиков полос поглощения в сыворотке крови высоко специфичных для определенных заболеваний. В ходе спектрометрии в области 400–7800 см-1 определяют пики полос поглощения с максимумами 1320, 1308, 1271, 1241, 1200, 1177, 1169, 1158, 1136, 1117, 1100, 1080, 1035, 982, 973, 943, 935, 891, после чего выявляют наличие характерных комплексов пиков полос поглощения образца сыворотки крови. Эти частоты и составляют ИК-спектр. ИК-свет имеет тот же частотный диапазон, что и колебательно-вращательный спектр молекул. Поэтому, при попадании ИК-излучения на молекулу, она поглощает излучение соответствующей частоты этого света, которое совпадает с частотами собственных гармонических колебаний молекулы. После поглощения этого света молекулярные осцилляторы будут продолжать колебаться на тех же частотах, но амплитуда их колебаний увеличится. Оставшийся свет, который не поглотится ни одним из осцилляторов молекулы, проходит через образец на детектор. Компьютер анализирует прошедший свет и определяет, какие частоты поглощены [10—12].
Существуют табличные спектральные данные для тысяч органических веществ, которые могут быть использованы как эталоны для идентификации нужных соединений в любых массах веществ, например в крови. В процессе исследований был создан банк фоновых значений колебательного спектра при различных патологических состояниях. Любые отличия от фона в каждом случае здоровья или болезни легко фиксируются и количественно характеризуются. В результате суммарное математическое выражение ИК-спектра крови пациента превращается в одну точку в двух- , трех- или n-мерном пространстве. При попадании этой точки в графически выраженную группу здоровья и регистрации ее в виде многогранника (разработки выполнены с помощью компьютерной программы DS924), делается вывод о том, что болезнь отсутствует. При вхождении показателя пациента в плоский или пространственный «образ болезни» делается вывод о патологическом состоянии и степени его тяжести [10—12].
Для выполнения целей и задач исследования были обследованы 170 женщин, проходивших диспансеризацию в женской консультации № 10 в структуре ГБУЗ НО «Родильный дом № 4 им. А.Ф. Добротиной» г. Нижнего Новгорода (главный врач Биткина Э.Н.).
Пациенткам проводили углубленное обследование: изучение жалоб, анамнеза жизни, наличие заболеваний соматического и гинекологического профиля, общеклинические, гинекологические и специальные методы исследования: жидкостная цитология с иммунноцитохимическим исследованием онкомаркера р16, расширенная кольпоскопия, ИК-спектрометрия сыворотки крови; комплекс методов лабораторной диагностики генитальных инфекций; обследование на ВПЧ методом полимеразной цепной реакции (ПЦР), в том числе типирование ВПЧ, определение вирусной нагрузки, уровня белков Е6 и Е7.
На основе полученных результатов пациентки были разделены на две группы: в группу I (контрольная группа) вошли 50 женщин с отсутствием гинекологических заболеваний, в группу II – 120 пациенток с доброкачественными и предраковыми заболеваниями ШМ, носители ВПЧ 16, 18 типов.
Этап II: на втором этапе пациенткам группы II проводилось лечение выявленных бактериально-вирусных агентов (Mycoplasma genitalium ≥104 КОЕ/мл, Ureaplasma urealiticum ≥104 КОЕ/мл, Candida albicans, ВПЧ 16 и 18 типов). После лечения повторно выполняли жидкостную цитологию с иммунноцитохимическим исследованием онкомаркера р16, расширенную кольпоскопию, определяли уровень белков Е6 и Е7, ИК-спектрометрию сыворотки крови, радиоволновую эксцизию ШМ.
На основании гистологического исследования биоптата ШМ и наличия белка p16 в иммунноцитохимическом исследовании пациентки группы II были разделены на следующие группы: IIА — CIN I (n= 40), группа IIВ —CIN II р16-негативных (n = 40), группа IIC — CIN II р16-позитивных и CIN III (n = 40).
Критерием включения пациенток в группу контроля было отсутствие заболеваний ШМ, подтвержденное при обследовании.
Основным критерием включения пациенток в группы с заболеваниями ШМ являлось выявление гистологически верифицированных CIN I, CIN II или CIN III и носительство ВПЧ 16 и 18 типов.
Критериями исключения – отказ женщин проходить все этапы обследования, беременность и лактация, злокачественные новообразования ШМ.
Всем группам обследуемых выполняли спектрометрическое исследование сыворотки крови.
Ранее были получены данные, что у женщин репродуктивного возраста фаза менструального цикла не влияет на показатели ИК-спектрометрии [19], поэтому у пациенток кровь из вены забирали однократно утром (строго натощак) (8 мл), готовили сухой препарат, затем проводили спектрометрию на инфракрасном Фурье-спектрометре (ФМС1201, Россия) с фотометрической погрешностью 0,2%, что обеспечивает высокую точность и объективность ИК-спектрометрии. ИК-спектры сыворотки крови снимали и исследовали в диапазоне от 770 до 2950 см-1. Изменения количественных соотношений веществ в метаболизме ткани ШМ, регистрируемые при ИК-спектрометрии сыворотки крови, служили параметрами для формирования трехмерного диагностического критерия. ИК-спектры подвергались математическому анализу. Данные спектрограммы оцифровывались в полосах поглощения 1170, 1165, 1150, 1140, 1100, 1070, 1040, 1025 см-1. После многовариантных расчетов ИК-параметров и сопоставления полученных результатов с верифицированными диагнозами были получены трехмерные диагностические ИК-спектрометрические критерии в виде многогранников в ортогональной системе координат (X, Y, Z) для женщин с отсутствием гинекологических заболеваний и CIN I, CIN II р16-негативных, CIN II р16-позитивных и CIN III. По координатным осям (X, Y, Z) откладывались величины трех ИК-параметров, определенных в результате многовариантных расчетов методом дискриминантного анализа, основанного на определении канонических направлений в исходном пространстве признаков (ИК-параметров), удовлетворяющих критерию максимального отношения дисперсии распределений ИК-параметров между образами к дисперсии внутри образов и дающих оптимальное разделение дифференцируемых заболеваний. За ИК-параметр принималось отношение высоты одного пика (A(J)) полосы поглощения, соответствующей частоте (J), к высоте другого пика (А(I)) полосы поглощения, соответствующей частоте (I).
В работе Николаенко А.Н. и соавт. (2015) доказано, что сыворотка крови при доброкачественных и злокачественных опухолях костей отличаются друг от друга по уровню поглощения ИК-излучения на длине волны карбонильной группы белков (1650 см-1). Авторами регистрировались ИК-спектры сыворотки крови пациентов с заболеваниями костей, затем на длине волны карбонильной группы белков 1650 см-1 определялся коэффициент поглощения [11].
В диссертации Бутавина Н.Ю. (2014) приводится информация о спектрах отдельных компонентов, входящих в состав крови. Биохимические показатели крови являются величиной постоянной на протяжении продолжительных промежутков времени, поэтому нарушения в структуре белково-липидных комплексов и других составных частей крови можно выявлять методом ИК-спектроскопии, который с известным приближением позволяет судить об интенсивности водородных связей в молекулах. В белковых молекулах это проявляется частичным сдвигом в диапазонах поглощения групп -NH, -ОН (1600-1480 см-1), -С=0 (1750 — 1710, 1650 см-1). Свободные -С=0 — группы дают линии поглощения в области 1670-1700 см-1, при взаимодействии с водородом – в диапазоне – 1630—1680 см-1. По интенсивности указанных полос можно судить о вторичной структуре белка и изменению количества водородных связей в биологических системах [12].
Учитывая приведенные выше данные, при дальнейшем анализе полученных комплексов пиков полос поглощения образцов сыворотки крови при заболеваниях шейки матки дополнительно были оценены изменения в области 1720 — 1480 см-1, где могут проявляться, по нашему мнению, изменения в структуре белков сыворотки крови при заболеваниях ШМ, проявляющиеся изменением коэффициента поглощения в данной области.
В каждом из 170 спектров (120 спектров сыворотки крови пациенток с заболеваниями ШМ и 50 спектров сыворотки крови женщин контрольной группы) были проанализированы 617 526 возможных комбинаций ИК- параметров.
Статистическую обработку результатов исследования проводили с помощью программы Statistica 6.0 (StatSoft, США) согласно Ребровой О.Ю. Принадлежность к нормальному распределению проверяли с помощью критерия Колмогорова—Смирнова. Для нормально распределенных величин данные представлялись в виде М±σ (где М —среднее значение, а σ — стандартное отклонение), при отличии распределения от нормального данные представляли в виде Ме (Q1, Q3), качественные данные в виде р±σ% (где р — процентная доля, σ — стандартное отклонение процентной доли). Для исследования различий нормально распределенных величин использовался критерий Стьюдента, при отличии распределения от нормального — Манна—Уитни. Для сравнения качественных признаков использовался критерий Хи-квадрат или точного критерия Фишера (при количестве наблюдений менее 5). Различия между группами считали статистически значимыми при р ≤ 0,05 [13].
Результаты и обсуждение
Проведенное исследование не позволило определить закономерностей по возрасту обследованных женщин, социальному статусу, антропометрическим показателям, возрасту наступления менархе, началу половой жизни и особенностям менструальной функции, экстрагенитальных заболеваний в анамнезе.
Достоверные различия определены по частоте перенесенных ранее ветряной оспе, коревой краснухе. Также в группах пациенток с заболеваниями ШМ количество половых партнеров, частота гинекологических воспалительных заболеваний половых органов в анамнезе значительно выше, чем в контрольной группе.
У большинства женщин заболевания ШМ протекали бессимптомно. Оценка результатов лабораторных методов исследования показала, что нами получены статистически значимые различия между группами при определении видов инфекций, передающихся половым путем (ИППП) и условно-патогенной флоры, выявленных у женщин с заболеваниями ШМ. Наибольшее число инфицированных женщин зафиксировано в группе с CIN II р16-позитивных и CIN III, чаще в виде микст-инфекции.
Чувствительность цитологического исследования в группе больных с CIN I — 72,5%, в группе больных с CIN II р16-негативных — 55 %, в CIN II р16-позитивных и CIN III — 72,5%.
Чувствительность кольпоскопического метода в группе с CIN I — 45%, в группе пациенток с CIN II р16-негативных — 70%, в группе пациенток с CIN II р16-позитивных и CIN III — 87,5%.
В ходе исследования при оценке возможных вариантов комбинаций ИК-параметров удалось выделить 3 компонента, отличающихся от существующих в накопленной базе данных. Сопоставив результаты обследования женщин, мы получили, что первое облако соответствует CIN II р16-позитивным и CIN III, второе — CIN II р16-негативным, третье —CIN I.
Комплекс характеристических соотношений частот ИК-спектра поглощения сыворотки крови для проведения дифференциальной диагностики CIN II р16-позитивных и CIN III с другими заболеваниями ШМ: 1662 см-1 / 903 см-1, 1718 см-1 / 908 см-1, 1650 см-1 / 906 см-1, 1415 см-1 / 1160 см-1, 760 см-1 / 1265 см-1, 1592 см-1 / 884 см-1, 1580 см-1 / 882 см-1, 1560 см-1 / 917 см-1,1592 см-1 / 926 см-1, 1087 см-1 / 875 см-1, 1446 см-1 / 982 см-1, 1050 см-1 / 1170 см-1 , 1480 см-1 /936 см-1.
Комплекс характеристических соотношений частот инфракрасного спектра поглощения сыворотки крови для проведения дифференциальной диагностики CIN II р16-негативных с другими заболеваниями шейки матки: 1415 см-1 / 1160 см-1 , 1718 см-1 /1168 см-1, 1662 см-1 /1288 см-1, 1650 см-1 /1309 см-1, 1560 см-1 /1887 см-1, 1480 см-1 /1776 см-1 , 760 см-1 / 1265 см-1, 1580 см-1 / 1295 см-1,770 см-1 / 982 см-1, 1592 см-1 / 1283 см-1, 760 см-1 / 982 см-1, 2924 см-1 / 865 см-1.
Комплекс характеристических соотношений частот инфракрасного спектра поглощения сыворотки крови для проведения дифференциальной диагностики CIN I с другими заболеваниями шейки матки: 1592 см-1 / 1788 см-1, 1580 см-1 / 2025 см-1, 1560 см-1 / 2025 см-1 ,1580 см-1 / 1353 см-1, 770 см-1 / 982 см-1, 1662 см-1 / 1432 см-1, 2924 см-1 / 1170 см-1, 1718 см-1/1468 см-1, 1650 см-1/1434 см-1, 1480 см-1/2466 см-1.
В процессе анализа результатов ИК-спектрометрии при заболеваниях ШМ, нами не получено данных о влиянии на них инфекционных факторов (ВПЧ, микоплазм и т.д.).
Чувствительность спектрального анализа сыворотки крови в диагностике заболеваний данной группы составила 95%.
При оценке изменений полученных в работе комплексов пиков полос поглощения образцов сыворотки крови при заболеваниях шейки матки в области 1720—1480 см-1, мы получили, что коэффициент поглощения в заданной области для пациенток с CIN I, находился в пределах 0,6 — 1,17; для пациенток с CIN II р16-негативных – в пределах 1,2 — 1,47, для пациенток с CIN II р16-позитивных и CIN III — в пределах 1,58 — 1,89. По нашему мнению, таким образом могут проявляться изменения в структуре белков сыворотки крови при заболеваниях шейки матки (рисунок 1).
Также нами впервые установлено, что на пики полос поглощения образцов сыворотки крови не влияют вирусные агенты (тип ВПЧ, уровень вирусной нагрузки), а экспрессия онкобелков Е6 и Е7 характерна только для ВПЧ высокого онкогенного риска и является предиктором персистирующей инфекции.
Выводы
Таким образом, метод ИК-спектрометрии сыворотки крови, являясь малоинвазивным, простым в применении и экономически выгодным, показал высокую чувствительность и специфичность для диагностики заболеваний ШМ. Высокая специфичность (92%) и диагностическая точность (90%) позволяет применять его в качестве скринингового исследования в условиях женских консультаций и гинекологических стационарах.
Предыдущая статья
Качалина Т.С.1, Богатова М.Е.2, Зиновьев А.Н. 1, Зиновьева М.С....