Endoskopické optické zobrazovací metody v diagnostice nádorů hrtanu

Overview

Endoskopické optické zobrazovací metody pro detekci slizničních lézí v ORL oblasti byly vyvinuty s cílem lepšího a časnějšího záchytu těchto změn. Dělí se na horizontální metody, zobrazující povrch sliznice (autofluorescence, fotodynamická diagnostika, úzkopásmové zobrazení – narrow band imaging, zvětšovací a kontaktní endoskopie), a metody vertikální, umožňující zobrazit různé vrstvy sliznice (optická koherentní tomografie a konfokální endomikroskopie). Některé z nich jsou rutinně využívané v praxi, ostatní se využívají v experimentálním režimu a jejich zavedení do praxe může být otázkou blízké budoucnosti. Autoři předkládají souhrnný přehled dostupných endoskopických optických zobrazovacích metod.

Klíčová slova:
endoskopie, optické zobrazovací metody, autofluorescence, fotodynamická diagnostika, úzkopásmové zobrazení, NBI, konfokální endomikroskopie, optická koherentní tomografie

ÚVOD

Nejčastějším maligním nádorem hrtanu je spinocelulární karcinom (1). Jedná se o nádor vycházející z buněk epitelu sliznice. Jeho růst je metabolicky náročný a je vždy doprovázen neovaskularizací, která je nádorem indukována – nádor si tímto způsobem zajišťuje dostatečný přísun živin pro svůj růst (2). Léčba karcinomu hrtanu může být chirurgická či onkologická (radioterapie nebo kombinace chemoterapie a radioterapie) (3). Zcela zásadní pro úspěšnost léčby karcinomu hrtanu je jeho časný záchyt, ideálně ještě v tzv. přednádorových stadiích (dysplazie, karcinom in situ). Chirurgická a onkologická léčba pokročilých tumorů může vést k výrazné mutilaci postižené osoby. U karcinomu hrtanu vede k výrazným funkčním obtížím, jako jsou např. poruchy polykání nebo ztráta fonační funkce (4).

Identifikace a rozlišení přednádorových stavů mohou být velice složité, proto byly do praxe zavedeny různé endoskopické optické zobrazovací metody zpřesňující možnosti diagnostiky (5). Důležitou součástí úspěšné terapie je přesné určení rozsahu postižení tak, aby bylo s jistotou dosaženo radikální resekce, pokud je onemocnění indikované k chirurgické léčbě (6). Další možností, kde se v budoucnu očekává uplatnění endoskopických optických zobrazovacích metod, je takzvaná předhistologická diagnostika (7, 8). Zejména u časného karcinomu glottis je výhodné provést radikální výkon v jedné době, dříve než je znám definitivní výsledek histologie. Některými autory je proto používán termín „optická biopsie“.

Cílem endoskopických resekcí pro nádor hrtanu je nejen radikální odstranění, ale zároveň maximální snaha o zachování funkce – tedy hlasu a polykání. Provedení probatorní excize glotického karcinomu s radikálním výkonem v druhé době s sebou nese riziko nutnosti provedení výkonu většího rozsahu vzhledem k tomu, že dojde k zajizvení tkání a následně může být složité odlišit skutečný nádor od jizvy. Rovněž bylo popsáno, že zhruba u 22 % nálezů, kde je provedena předchozí probatorní histologie, již není při dalším výkonu původní nádor nalezen, a dochází tedy ke zbytečné radikalizaci, která může vést ke zhoršení funkce hrtanu (9). Stejné riziko se teoreticky týká i pacientů léčených po provedení biopsie zevní radioterapií.

V současné době je používáno několik endoskopických optických zobrazovacích metod. Některé jsou již zcela běžné v rutinní praxi, další jsou využívány spíše v experimentálním režimu a jejich zavedení do praxe je otázkou budoucnosti. Endoskopické optické zobrazovací metody lze rozdělit na horizontální, zobrazující povrch sliznice, a vertikální, které dokáží zobrazit různé vrstvy sliznice (10). Na Klinice otorinolaryngologie a chirurgie hlavy a krku 1. LF UK a FN Motol jsou rutinně používány narrow band imaging, zvětšovací, kontaktní endoskopie a autofluorescence. Ostatní metody uvádíme pro úplnost v přehledu.

HORIZONTÁLNÍ OPTICKÉ ZOBRAZOVACÍ METODY

Autofluorescence

Autofluorescenci k diagnostice tumorů hrtanu jako první použili Harries et al. v roce 1995 (11). Ve sliznici hrtanu se běžně nacházejí porfyriny, elastin, kolagen a nikotinamidadenindinukleotid (NADH) (12). Tyto molekuly mají schopnost fotoluminiscenčního záření, tzv. autofluorescence, a jsou nazývány fluorofory. V klidovém stavu neemitují žádné záření. Pokud jsou ozářeny světlem o krátké vlnové délce, např. ultrafialovým (UV), jejich elektrony jsou excitovány na vyšší energetickou hladinu. V tomto stavu jsou fluorofory nestabilní a rychle se navracejí do stabilnějšího stavu na nižší energetickou hladinu vyzářením tepla. Do základního stavu se poté dostávají vyzářením světla. Vzhledem k tomu, že část energie již byla uvolněna vyzářením tepla, emitované světlo má nižší energii a větší vlnovou délku než světlo, jímž byly fluorofory původně ozářeny. Tento jev lze za použití videoendoskopického systému se speciálními filtry zobrazit. Vzhledem k tomu, že koncentrace fluoroforů je rozdílná ve zdravé sliznici a ve sliznici nádorově změněné, dochází v případě nádorových změn k patrnému útlumu autofluorescence. Na tom se může podílet i zesílení vrstvy epitelu a zvýšené prokrvení u patologických lézí. Zdravá sliznice je zobrazována jasně zeleně a patologická sliznice pak modrofialově (13) (obr. 1B).

Metoda autofluorescence je rutinně využívána jak v ambulantním režimu, tak v průběhu direktních laryngoskopií v celkové anestezii (14). Umožňuje lepší detekci drobných lézí, které nemusejí být patrné v bílém světle, zároveň také umožňuje přesné určení rozsahu slizničních malignit (15).

Fotodynamická diagnostika (PDD)

Principem PDD je detekce vyzářeného fluorescenčního světla, podobně jako u autofluorescence, v tomto případě je však sliznice hrtanu předem ošetřena lokální aplikací kyseliny 5-aminolevulové (ALA), která vyvolává fluorescenci nádorových buněk. ALA sama o sobě není fluorofor, ale účastní se syntézy hemu. Dvě molekuly ALA kondenzují za vzniku porfobilinogenu, který je dále metabolizován na fluorofor-protoporfyrin IX (PTP). Začleněním železa vzniká hem, který již není fluoroforem. Neoplastické buňky akumulují PTP, protože jsou více propustné pro ALA, a zpomalují přeměnu na hem (16). Výsledkem aplikace ALA na nádorovou sliznici je oranžovo-červená fluorescence po jejím ozáření UV světlem. Zdravá sliznice naopak vyzařuje standardní zelenou autofluorescenci (14) (obr. 1C).

Tato metoda je využívána např. v urologii k detekci nádorů močového měchýře (17). Využití v laryngologii je limitováno velice obtížnou přípravou pacienta, kdy se ALA aplikuje ve formě inhalace a vyšetření je pak prováděno s dvouhodinovým odstupem (14). Rutinně proto v praxi není využívána.

Narrow band imaging (NBI)

Tato metoda využívá charakteristik světelného spektra ke zlepšení zobrazení povrchu sliznice a povrchových slizničních a podslizničních cév (18). Zobrazuje tedy nejen změny v kvalitě epitelu, ale rovněž změny ve slizniční vaskularizaci. To je důležité při zobrazování slizničních neoplazií, které jsou ve většině případů provázeny neovaskularizací (19). Při ní nejprve dochází k růstu, prodlužování a rozšiřování existujících kapilár. Pokračující progrese tumoru je provázena tvorbou nových cév, které postrádají původní organizaci, dochází tak ke ztrátě pravidelnosti uspořádání kapilár a v rozvinutých stadiích nádorového růstu k úplné ztrátě cévní mikroarchitektury (20).

Vyšetření je neinvazivní a lze jej provádět v ambulantním režimu, bez nutnosti sedace pacienta nebo celkové anestezie (21). Systém NBI se skládá ze světelného zdroje, kamerové jednotky a kamerové hlavy nebo čipem vybaveného flexibilního videoendoskopu. Dále obsahuje obrazový procesor a světelný zdroj se sadou filtrů, které propouštějí pouze světlo dvou vlnových délek: 400–430 nm (s maximem na 415 nm) a 525–555 nm (s maximem na 540 nm). Výsledný efekt je založen na různé hloubce průniku světla o definovaných vlnových délkách do hloubky sliznice. Světlo o vlnové délce 415 nm méně proniká do hlubších vrstev a je méně rozptylováno. Modrý filtr je definován tak, aby odpovídal absorpčnímu spektru hemoglobinu; tím dochází ke zlepšení zobrazení terminálních kapilár ve sliznici (IPCL – intraepithelial papillary capillary loops) (20). Světlo o vlnové délce 540 nm proniká do hlubších vrstev a zvýrazňuje hlubší cévní pleteně. Obraz je zachycen digitálním čipem a obrazovým procesorem je následně zpracován a zobrazen v arteficiálním barevném podání na monitoru a umožňuje zvýšit kontrast slizničních struktur (18) (obr. 2).

Cévní struktury jsou zobrazeny s větším kontrastem oproti epitelu, než je tomu při použití bílého světla (22). Při zobrazení povrchových slizničních patologií (dysplazie, karcinom in situ, karcinom) je možné v NBI světle lépe pozorovat změny epitelu (zesílení, změny povrchu) a změny cévního uspořádání. Při neoangiogenezi jsou patrné nepravidelnosti IPCL (rozšiřování, změny tvaru). Tyto změněné IPCL jsou v NBI světle pozorovatelné jako „hnědé tečky“ nepravidelně rozmístěné v ohraničeném ložisku změněného epitelu (18). Díky tomu lze zaznamenat i léze o průměru několika milimetrů. Využitelnost této endoskopie je limitována dosaženým zvětšením a rozlišením. Pro zlepšení výtěžnosti vyšetření je vhodné použít NBI v kombinaci se zvětšovací či kontaktní endoskopií.

Zvětšovací endoskopie

Standardní (nezvětšovací) endoskopy nedovolují, aby mohly být změny ve vaskularizaci detailněji zobrazeny. K dokonalému zobrazení změn IPCL je nutné dosáhnout dostatečného rozlišení a zvětšení. To je umožněno použitím takzvané zvětšovací endoskopie (obr. 3), která umožňuje dosáhnout až 150násobného zvětšení (7) a v kombinaci s televizním obrazem o vysokém rozlišení (HDTV) (7) nebo ultravysokém rozlišení (4K) (23) dovoluje detailní zobrazení slizniční kapilární mikroarchitektury in vivo.

Dosud byly maligní slizniční změny vždy diagnostikovány až na základě histologického vyšetření. Zvětšovací endoskopy, díky kterým lze pozorovat povrch sliznice ze vzdálenosti několika milimetrů, spolu s HDTV nebo 4K zobrazením umožňují určit malignitu s vysokou pravděpodobností ještě před stanovením histologické diagnózy (7).

Pro gastroenterologii jsou k dispozici zvětšovací flexibilní endoskopy vybavené zoomovacím systémem (24). Jejich rozměry však nedovolují použití při transnazálním vyšetření, které je nutností u ORL pacientů. Zvětšovací endoskopii lze tedy u ORL pacientů provádět pouze pomocí rigidních optik. Tím je toto vyšetření v ambulantním režimu limitováno na dutinu ústní a orofarynx. Vyšetření hrtanu a hypofaryngu musí být prováděno v celkové anestezii, kdy je rigidní endoskop zaváděn tubusem direktního laryngoskopu.

Při kombinaci zvětšovací a NBI endoskopie je dosahováno vysokého zvětšení, navíc je využito filtrovaného světla a zvýšení výsledného kontrastu mezi cévami a epitelem. Díky tomu lze přesněji pozorovat změny ve slizniční vaskularizaci a tím pádem i přesněji odlišit benigní změny od maligních (7).

Kontaktní endoskopie

Jedná se o endoskopickou optickou zobrazovací metodu, která umožňuje pozorovat sliznici in vivo s rozlišením na buněčné úrovni. Využívány jsou speciální rigidní endoskopy, které poskytují zvětšený obraz po přiložení přímo na povrch sliznice (25). Dosahované zvětšení je při použití endoskopické kamery a 24palcového monitoru až 1100násobné (obr. 4). Původně bylo nutné nejprve aplikovat intravitálně barvivo (methylenovou modř) na povrch sliznice a tím nabarvit buněčné struktury, zejména jádra. Hodnocení pak odpovídalo in vivo cytologii (25). To vše bylo časově náročné, navíc bylo nutné, aby byl vyšetřující zároveň zkušeným cytologem. V roce 2000 Wardrop et al. (26) popsali možnost rozlišení invazivního karcinomu pomocí identifikace změněných kapilár v lamina propria pod epitelem, který nese známky buněčných atypií. V současné době jsou kontaktní endoskopy v ORL oblasti používány v kombinaci s NBI systémem a hlavním cílem není pozorovat buněčné atypie, ale velice podrobné zobrazení cévních struktur (27). Dle stupně změn mikrovaskularizace lze odlišit léze charakteru hyperplazie, dysplazie, carcinoma in situ či invazivního karcinomu (28).

VERTIKÁLNÍ OPTICKÉ ZOBRAZOVACÍ METODY

Konfokální endomikroskopie

Konfokální endomikroskopie umožňuje vyšetření sliznice ve 3 rozměrech in vivo a při dostatečném zvětšení (rozlišovací schopnost dosahuje 10 µm) (29) zobrazit histologické detaily nad bazální membránou (obr. 5B a C). Čočka objektivu zaostřuje světlo o vysoké intenzitě na velmi malou oblast v určité vrstvě sliznice (ohniskový bod), odsud je světlo odraženo zpět čočkou objektivu na konfokální detektor, který je umístěn za štěrbinou, jež odcloní světlo odrážené mimo ohniskový bod. Výsledkem je ostrý obraz buněk nacházejících se v ohniskovém bodě.

Konfokální endomikroskop velice rychle skenuje tkáň ve stejné hloubce (ohniskové rovině), zaznamenává obrazy z mnoha sousedních ohniskových bodů a vytváří dvourozměrný obraz. Změnou ohniskové roviny může vyšetřující pozorovat buňky v různých vrstvách sliznice bez ztráty kvality zobrazení až do vzdálenosti 250 µm od jejího povrchu. Prohlížením snímků vytvořených v různých rovinách v sérii lze zobrazit trojrozměrnou strukturu tkáně (30). V současné době jsou k dispozici miniaturizované sondy konfokálního endomikroskopu, které lze vsunout pracovním kanálem flexibilního endoskopu. Vyšetření je často kombinováno s topickým i intravenózním užitím barviv pro zvýraznění buněčných struktur, jako jsou např. buněčná jádra (29). Tato metoda byla vyvinuta pro gastroenterologii, v ORL je dosud používána pouze experimentálně.

Optická koherentní tomografie (OCT)

OCT je optický analog ultrazvuku. Sliznice je prosvětlována infračerveným světlem, které se zpětně odráží od hranic různých tkání (se změnou indexu lomu). Odražené světlo je zaznamenáno a zpracováno do výsledného obrazu průřezu sliznicí (analogicky jako u histologického řezu). Umožňuje zobrazení až do hloubky 2 mm. Lze tak zaznamenat všechny její vrstvy (31). První klinické aplikace OCT byly prováděny v oftalmologii a dermatologii (32, 33). Díky dosahovanému vysokému tkáňovému rozlišení lze metodu využít v laryngologii k peroperačnímu určení rozsahu slizničního postižení a rovněž k určení hloubky invaze léze do jednotlivých vrstev sliznice (34). Metoda je dosud užívána spíše v rámci experimentálních režimů.

ZÁVĚR

Všechny uvedené metody směřují k dosažení předhistologické diagnostiky, to znamená k přesnému určení malignity při klinickém vyšetření dříve, než je dostupný výsledek histologie (někdy je používán i termín „optická biopsie”). Aby tohoto bylo dosaženo, bylo by nejvhodnější používat kombinaci některé z horizontálních a vertikálních metod. Jedná se však o metody s vysokými pořizovacími náklady a zároveň jsou náročné i časově. V rutinní praxi je proto nejčastěji používána NBI endoskopie, která je časově nenáročná a zároveň komerčně dobře dostupná. Možnosti tohoto vyšetření jsou výrazně zlepšeny kombinací se zvětšovací či kontaktní endoskopií.

Podpořeno grantovými projekty Progres Q27, UNCE 204013, AZV 15-28933A a MZ ČR – RVO, FN v Motole 00064203.

Adresa pro korespondenci:

as. MUDr. Petr Lukeš, Ph.D.

Klinika ORL a chirurgie hlavy a krku 1. LF UK a FN Motol

V Úvalu 84

150 06  Praha 5

e-mail: petr.lukes@fnmotol.cz