Биофотонные методы функционального мониторинга осложнений сахарного диабета

Аннотация: Данная статья посвящена обзору современных технологий биофотоники, используемых для выявления осложнений сахарного диабета и оценки качества их лечения. Кроме того, эти технологии оценивают структурные и функциональные свойства биологических тканей и включают капилляроскопию, лазерную доплеровскую флоуметрию и гиперспектральную визуализацию, лазерную контрастность спекл-структуры, спектроскопию и визуализацию диффузного отражения, флуоресцентную спектроскопию и визуализацию, оптическую когерентную томографию, оптоакустическую визуализацию и конфокальную микроскопию. Последние достижения в области оптической неинвазивной диагностики предполагают более широкое внедрение технологий биофотоники в клиническую практику и, в частности, в диабетические отделения.

Введение

Исследования, связанные с сахарным диабетом (СД), привлекают повышенное внимание ученых всего мира. СД представляет собой группу хронических длительно текущих заболеваний, характеризующихся различными нарушениями обмена веществ. Существуют две основные формы диабета: диабет 1-го и 2-го типа, однако он также может возникать во время беременности и под влиянием других обстоятельств. Клиническое течение сахарного диабета характеризуется состоянием гипергликемии, возникающим в результате дефицита инсулина или инсулинорезистентности. Хроническая гипергликемия приводит к повреждению сосудов, что вызывает развитие осложнений сахарного диабета.

В связи с увеличением распространенности заболевания осложнения сахарного диабета в настоящее время считаются одной из важнейших проблем современного здравоохранения. Хронические осложнения сахарного диабета формируются под влиянием длительного воздействия повышенного уровня глюкозы в организме. Они связаны с нарушениями сердечно-сосудистой и нервной систем. В конечном итоге эти осложнения могут привести к потере зрения, терминальной стадии почечной недостаточности и необходимости проведения гемодиализа или трансплантации, развитию и инфицированию диабетических язв, ампутациям, сердечной недостаточности, инсульту и так далее. 

Методы биофотоники представляют собой целесообразное решение данной проблемы. Различные технологии могут предоставить информацию об оптических свойствах кожи, которые напрямую связаны с кровоснабжением, степенью оксигенации и наличием хромофоров. В табл. 1 представлены различные методы биофотоники и их применение в исследованиях осложнений СД.

Таблица 1. Параметры тела, оцениваемые методами биофотоники в диагностике осложнений сахарного диабета

Таким образом, биофотоника предоставляет уникальные возможности как для структурно-функционального анализа биологических тканей, так и для ранней неинвазивной диагностики и контроля эффективности терапии при различных заболеваниях. 

Будут рассмотрены следующие оптические технологии исследования осложнений СД: капилляроскопия, методы динамического светорассеяния (лазерная доплеровская флоуметрия [ЛДФ] и визуализация, лазерная спекл-контрастная визуализация [ЛСКВ]), спектроскопия диффузного отражения (СДО) и визуализация, флуоресцентная спектроскопия и визуализация, оптическая когерентная томография и конфокальная микроскопия. 

ОПТИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ В ДИАГНОСТИКЕ

1.1 Капилляроскопия

Капилляроскопия – удобный метод оценки морфологии сосудистого русла и его изменений in vivo по мере развития заболевания. Для проведения капилляроскопических исследований обычно используют микроскоп с меньшим или большим увеличением, для получения панорамных изображений капиллярного русла или увеличенных изображений отдельных капилляров и их групп. Исследования в основном проводят в ногтевом ложе, так как капиллярная дуга проходит параллельно поверхности кожи. Поэтому можно следить за кровотоком в капиллярах при достаточно большом увеличении, в то время как на других участках капилляры располагаются перпендикулярно поверхности кожи. 

Капилляроскопия применяется для изучения состояния микроциркуляции с 19 века. Исторически эта методика является наиболее распространенной в исследованиях сосудистых нарушений при ревматических заболеваниях, хотя спектр применения этой технологии достаточно широк. Кроме того, с помощью капилляроскопии можно оценить количество визуализируемых капилляров в ногтевом ложе, густоту капиллярной сети, наличие извитых капилляров и кровоизлияний, диаметры артериальной и венозной части. С целью их оценки обычно снимают статические изображения капиллярной сети с последующим анализом фотографий.

Современные системы видео капилляроскопии имеют высокоскоростные камеры и скользящее освещение с двумя-четырьмя светодиодами высокой яркости с длиной волны от 520 до 530 нм, что обеспечивает максимальную контрастность изображений капиллярной сети за счет поглощения света крови в этом диапазоне длин волн.

На рис. 1 представлена измененная структура капиллярного русла больного СД, полученная при капилляроскопии.

Рисунок 1. Капилляроскопия у больного сахарным диабетом: измененная сосудистая структура, характеризующаяся извилистыми, сшитыми и расширенными капиллярами (А), а также разветвленные с небольшим снижением плотности капилляры (В). Воспроизведено с разрешения издательства Elsevier

Показано, что наличие и выраженность микрососудистых изменений во многом зависят от имеющихся осложнений СД, длительности заболевания и качества метаболического контроля. 

1.2. Динамическое светорассеяние

Основные принципы динамического рассеяния света (ДРС) основаны на таких явлениях, как сдвиг частоты и флуктуации интенсивности света, распространяющегося через мутную тканеподобную рассеивающую среду, содержащую движущиеся частицы. Этот метод основан на освещении биологических тканей непрерывным лазерным излучением и одновременной регистрации флуктуаций интенсивности рассеянного света с помощью одномодового оптического волокна или камеры. Скорость кровотока рассчитывается по автокорреляционной функции поля.

Методы ДРС использовались для измерения скорости движущихся частиц с 1960-х годов. Разработано несколько методов измерения скорости как движущихся, так и диффундирующих частиц для случаев однократного рассеяния, а также теория СДО для многократно рассеивающей среды. Среди методов, основанных на ДРС, ЛДФ и ЛСКВ широко используются для мониторинга кровотока в коже при различных физиологических и патологических состояниях. В методах ДРС обычно используются красные (630-650 нм) и ближние инфракрасные (750-1100 нм) длины волн лазерного источника (наиболее часто используются полупроводниковые лазеры).

1.2.1 Лазерная доплеровская флуометрия

В настоящее время ЛДФ является широко используемым методом прижизненной оценки состояния микроциркуляторного кровотока. Лазерная доплерография измеряет общую локальную микроциркуляторную перфузию крови. Этот метод основан на восприятии ткани лазерным светом и анализе его рассеяния. Свет, падающий на движущиеся эритроциты, претерпевает доплеровский сдвиг частоты, в то время как свет, попадающий на неподвижные объекты, остается неизменным.

При проведении измерений методом ЛДФ можно получить важную диагностическую информацию о регуляции микроциркуляторного русла различными системами организма, в том числе нервной и гуморальной регуляции. Записанный сигнал можно разложить на колебательные составляющие с помощью анализа формы импульса. В предыдущих исследованиях были отмечены следующие колебательные компоненты и их физиологические причины: частотные интервалы от 0,005 до 0,0095 Гц и от 0,0095 до 0,021 Гц соответствуют регуляции кровотока эндотелиальными клетками посредством выделения оксида азота и других вазоактивных веществ в просвет сосуда соответственно; диапазон от 0,021 до 0,052 Гц связан с влиянием раздражения микрососудов; колебания с частотой от 0,052 до 0,145 Гц соответствуют влиянию сосудистой-гладкомышечной деятельности; полосы частот от 0,45 до 1,6 Гц и от 0,2 до 0,45 Гц несут информацию о влиянии частоты сердечных сокращений и движения грудной клетки на периферический кровоток соответственно.

Оценка реактивной постокклюзионной гиперемии (ОРПГ) при артериальной окклюзии также является широко используемым методом оценки состояния микроциркуляторного кровотока при различных патологических состояниях, в том числе при сахарном диабете. Положительная корреляция между временем достижения пика во время ОРПГ и наличием активных или прошедших язв стопы была обнаружена у пациентов с диабетом с помощью ЛДФ. Более того, было замечено, что восстановление исходного кровотока после ОРПГ происходит медленнее у лиц с диабетом.

1.2.2 Лазерная доплеровская визуализация перфузии

Как было сказано ранее, одной из отличительных черт кожной микроциркуляции является ее неоднородность. Одноточечные измерения ЛДФ могут иметь существенные отличия даже при проведении тестов на небольшом расстоянии. Для преодоления этой проблемы была разработана технология лазерной доплеровской визуализации перфузии (ЛДВП). В настоящее время предложены системы ЛДВП, охватывающие всю предоставленную поверхность, которые являются объектами активных исследований. Метод нашел широкое применение в оценке заживления ран, в том числе, возникающих при сахарном диабете. Этот метод также применялся для изучения влияния введения метформина на изменения функции микроциркуляторного русла в недиабетической группе. Исследование включало оценку функции микрососудов с помощью вазоактивных веществ и ионофореза.

1.2.3 Лазерная спекл-контрастная визуализация

Лазерная спекл-контрастная визуализация (ЛСКВ) – еще один мощный метод динамического светорассеяния, позволяющий бесконтактно визуализировать циркуляцию на предоставленной поверхности в реальном времени. ЛСКВ для применения в биомедицине в настоящее время привлекает все большее внимание. Информацию о кровотоке получают путем анализа вариаций контраста спеклов. Рассеянный на образце свет попадает на камеру, где регистрируются спеклы. Они образуются в результате интерференции между фотонами, достигающими одного и того же пикселя после прохождения разными путями. Коэффициент контрастности связан со скоростью движения частиц, вызывающих размытие пятна, что характеризует интенсивность кровотока в биологических тканях.

Не так давно ЛСКВ стали использовать при изучении функции эндотелия у больных сахарным диабетом 1 типа. В исследовании использовались ацетилхолиновый и окклюзионный тесты, и было обнаружено, что у пациентов значительно снижалась эндотелийзависимая вазодилатация в ответ на оба стимула.

ЛСКВ успешно применялась в исследованиях заживления ран как на животных моделях, так и у больных СД. На рисунке 2 представлена цветная фотография стопы с диабетическими язвами и соответствующее изображение ЛСКВ.

Рисунок 2. Изображение лазерной спекл-контрастной визуализации диабетической стопы с активной язвой в процессе заживления. Воспроизведено с разрешения издательства Springer Nature

Следует принять во внимание, что доступные в настоящее время устройства ЛСКВ могут наблюдать только относительные изменения крови без количественной шкалы измерения, приводящие к использованию произвольных единиц. 

1.3 Спектроскопия диффузного отражения

Методы СДО были реализованы для оценки периферического кровотока и состояния насыщения кислородом. Они обеспечивают непрерывное неинвазивное измерение изменений концентрации оксигенированного (cHbO₂) и деоксигенированного (cHb) гемоглобина. Исследования показали, что некоторые параметры, полученные с помощью СДО, достоверно коррелируют с измерениями лодыжечно-плечевого индекса, который является широко используемым параметром для оценки риска развития осложнений сахарного диабета.

Метод СДО используется для диагностики нарушений кровотока, связанных с диабетом, уже более 15 лет. Метод также нашел применение при оценке процессов язвообразования и заживления ран. Обычно при диагностике состояния оксигенации этим методом используют оценку площади под кривой спектра диффузного отражения. 

1.4 Гиперспектральная визуализация

Гиперспектральная визуализация (ГСВ) – это современная реализация метода СДО, предоставляющая информацию о состоянии оксигенации тканей. Она способна выявлять системные и локальные микроциркуляторные изменения, связанные с СД. Технология чаще всего используется для анализа развития ран, в том числе диабетических язв и ожогов. Для осуществления гиперспектральных измерений регистрируется серия изображений исследуемого объекта в узких частотных диапазонах, образующих гиперкуб, который имеет две пространственные координаты (x, y) и одну спектральную (λ). Анализ данных, содержащихся в гиперкубе, позволяет оценить содержание хромофоров в исследуемой биологической ткани, толщину эпидермиса, кровенаполнение и насыщение кислородом. На рисунке 3 представлены визуальное и гиперспектральное изображения стопы, полученные с помощью ГСВ. 

Рисунок 3. (A) визуальное изображение; (B) гиперспектральные изображения диабетической язвы стопы, полученные с помощью системы гиперспектральной визуализации. Воспроизведено с разрешения издательства Springer Nature

ГСВ может точно прогнозировать заживление язвы в течение нескольких месяцев и выявлять те, которые подвержены риску незаживления, и, следовательно, может использоваться для скрининга диабетических осложнений нижних конечностей. Появляющиеся технологии сбора и анализа гиперспектральных данных, в том числе системы искусственного интеллекта, предполагают еще более широкое внедрение этой технологии в клиническую диагностику.

1.5 Флуоресцентная спектроскопия и визуализация

Накопление конечных продуктов гликирования (КПГ) и окислительный стресс являются одними из ключевых механизмов развития осложнений диабета. КПГ представляют собой белки и липиды, которые гликируются в результате воздействия сахаров и известны как гликотоксины из-за их вредного воздействия. Накапливаясь в организме, КПГ запускают процесс сшивания белков, в частности, в молекулах коллагена, миелина и гемоглобина. Гликированные белки флуоресцируют при облучении УФ-светом. На рисунке 4 показана флуоресценция КПГ на руке с помощью многофотонной флуоресцентной спектроскопии. 

Рисунок 4. Пример изображения с КПГ-индексом в градациях серого ладонной стороны руки, полученного с помощью многофотонного флуоресцентного томографа. Цветная часть указывает область интереса, выбранную для расчета КПГ-индекса. Воспроизведено с разрешения издательства Elsevier

В значительном количестве исследований изучалась применимость флуоресценции КПГ для оценки риска смертности от всевозможных причин, сердечно-сосудистых заболеваний и смертности. Этот параметр эффективно оценивает риск ампутации у пациентов с ЗПА. Широкое использование оценки уровня КПГ в диагностике осложнений СД и других заболеваний в конечном итоге привело к успешной коммерциализации устройств на основе этой технологии. Первое коммерчески доступное устройство было выпущено голландской компанией DiagnOptics под названием AGE-Reader. Фотография устройства представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. AGE-Reader (DiagnOptics)

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке устройств гиперспектральной визуализации и спектрометрического оборудования на территории РФ