Биофотонные методы функционального мониторинга осложнений сахарного диабета (продолжение)

Оптическая когерентная томография

Оптическая когерентная томография (ОКТ) нашла широкое применение в диагностике осложнений сахарного диабета (СД). Этот метод основан на низкокогерентной интерферометрии и позволяет получить изображение поперечного сечения исследуемой ткани. Он может обеспечить двух- или трехмерное изображение ткани путем измерения задержки эха и интенсивности обратно отраженного излучения (аналогично B-сканированию в УЗИ). 

В исследованиях, проведенных с помощью ОКТ с разрешением по времени (РВ-ОКТ), было показано, что у пациентов с диабетом в целом не наблюдается различий в толщине сетчатки по сравнению со здоровой контрольной группой. В то же время исследования с использованием спектральной ОКТ (С-ОКТ) показали различия в толщине некоторых слоев клеток между больными диабетом без видимых признаков ДР и здоровой контрольной группой; в частности, различие наблюдалось для слоя фоторецепторов. Кроме того, показана зависимость этого параметра от длительности заболевания.

Недавние исследования с достижениями в С-ОКТ выявили значительные изменения в ядрах и дендритах ганглиозных клеток сетчатки у пациентов с диабетом. Удивительно, но истончение этих структур обнаружено не только у пациентов с далеко зашедшими стадиями ДР, но и у тех, у кого нет признаков осложнений. Более поздние исследования связывают изменения в структуре нервных тканей сетчатки с развитием диабетической нейропатии, а не ретинопатии.

Одним из перспективных направлений диагностики нарушений микроциркуляции в офтальмологии является использование оптической когерентной томографической ангиографии (ОКТА). Метод производит многочисленные В-сканы сетчатки, позволяющие визуализировать сосудистую систему путем регистрации изменений интенсивности или фазы ОКТ-сигнала, возникающих в результате движения крови. На рисунке 1 представлены результаты измерения ретинальной перфузии с помощью ОКТА контрольной группы и больных сахарным диабетом с различными стадиями ДР.

Рисунок 1. Серия цветных фотографий глазного дна (верхний ряд), ОКТ-ангиограммы (средний ряд) и цветные карты сосудистой перфузии (нижний ряд), демонстрирующие изменения плотности перфузии, наблюдаемые по мере прогрессирования диабетической ретинопатии (непролиферативная диабетическая ретинопатия – НПДР; пролиферативная диабетическая ретинопатия – ПДР). Воспроизведено с разрешения издательства Springer Nature

Метод ОКТ также широко используется для оценки заживления ран. Было проведено несколько экспериментов с лабораторными животными, а также исследования ожогов. Однако подобных исследований диабетических ран не обнаружено. Проведен ряд исследований по оценке концентрации различных веществ с помощью ОКТ, в том числе по оценке содержания глюкозы и гликированного гемоглобина в растворах и оптических фантомах. Изучено изменение оптических свойств крови после добавления глюкозы.

Конфокальная микроскопия

Метод конфокальной микроскопии роговицы (КМР) широко используется для оценки изменения состояний здоровых и больных глаз. Методика позволяет изучить архитектуру роговицы под большим увеличением для оценки роговичных нервов и диагностики осложнений СД. Принцип основан на конфокальной оптике, ограничивающей область наблюдения одной точкой. При исследовании группы больных сахарным диабетом с использованием данной технологии была обнаружена корреляция между снижением плотности нервных волокон и тяжестью нейропатии. Кроме того, было показано, что нервные волокна диабетиков более извиты, что обратно коррелирует с тяжестью диабетической невропатии (рис. 2). 

Рисунок 2. Изображения конфокальной микроскопии роговицы, полученные для: (A) здорового добровольца (с типичным четким внешним видом, плотностью, легкой извилистостью и приемлемым ветвлением) и (B) пациентов с диабетом с тяжелой диабетической невропатией, показывающих одну ветвь, отходящую от основного нервного ствола в нижней части кадра. Воспроизведено с разрешения издательства Elsevier

Рамановская спектроскопия

Рамановская спектроскопия основана на неупругом рассеянии монохроматического света веществом, что приводит к переносу энергии и молекулярным колебаниям. Этот метод обеспечивает высокоспецифичный зонд с уникальным химическим отпечатком молекул. Метод нашел широкое применение в фармакологии, микробиологии и биологии человека. В онкологии проведено значительное количество исследований. Показана способность метода выявлять различия в крови и сыворотке больных сахарным диабетом и здоровых лиц по спектрам глюкозы, липидов, аминокислот лейцина и изолейцина. 

Особый интерес представляют исследования в области неинвазивной оценки накопления КПГ с помощью рамановской спектроскопии. Комбинация методов была предложена для неинвазивной диагностики диабета или прогнозирования риска диабета (рис.3).

Рисунок 3. Рамановские спектры кожи. Воспроизведено с разрешения издательства John Wiley and Sons

В другом исследовании переносной рамановский спектрометр использовался для неинвазивного скрининга пациентов с диабетом 2 типа. Используя машинное обучение и анализ основных компонентов, авторы смогли различить диабетические и контрольные группы с точностью от 88,9% до 90,9%, в зависимости от области измерения. Системы рамановской спектроскопии обычно оснащены лазерами непрерывного действия с длиной волны возбуждения 532 или 785 нм.

Терагерцовое излучение

Терагерцовая импульсная спектроскопия и визуализация используют электромагнитное излучение в диапазоне частот от 0,1 до 10 ТГц (с длиной волны 0,3-3 мм). Этот частотный диапазон находится между инфракрасным и микроволновым диапазонами и позволяет проводить неинвазивную диагностику биологических тканей. ТГц-визуализация высокочувствительна к содержанию воды в тканях, поэтому нашла применение в областях медицины, связанных с оценкой гидратации биотканей. Её тестировали при раке кожи, легких, груди и других типах рака, а также при оценке тяжести ожогов и заживлении ран.

Используя визуализацию терагерцового отражения, исследование выявило значительно сниженный уровень гидратации тканей стопы у пациентов с диабетом по сравнению со здоровыми людьми. Данная методика предложена в качестве потенциального метода скрининга (рис. 4). 

Рисунок 4. Терагерцевые изображения типичного члена контрольной группы (А) и диабетической группы (В). Объемная доля воды для контрольной группы и членов диабетической группы: (C) усредненная по подошве стопы, (D) в центре большого пальца, (E) в центре пятки. Каждая точка представляет исследуемый объект

Другие методы

Проведено большое количество исследований в лабораторных условиях по изменению оптических свойств биологических тканей под влиянием гликирования. Поскольку данный обзор посвящен неинвазивным методам оценки нарушений, возникающих при СД, не будем подробно останавливаться на них, а лишь перечислим некоторые. С помощью рефрактометрии оценивали изменения свойств эритроцитов и растворов гемоглобина больных СД. Было предложено использовать эти измерения для оценки концентрации гликозилированного гемоглобина.

При исследованиях биоптатов кожи методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) были показаны изменения механических свойств коллагена у пациентов по сравнению с контрольной группой. 

Методом оптико-акустической спектроскопии были проведены измерения концентрации глюкозы в водных растворах и накопления КПГ в образцах кожи свиней, подвергнутых гликированию в растворе рибозы. 

Фотоакустическая (оптико-акустическая) томография (ФАТ) широко используется для анализа сосудистых нарушений при ЗПА и имеет потенциал в диагностике сосудистых функций (на примере изменений, возникающих при артериальной и венозной окклюзии).

Диффузионная оптическая томография (ДОТ) использовалась в исследованиях ФАТ и для оценки качества заживления диабетических язв. Методика основана на зондировании ткани светом нескольких длин волн в красном и инфракрасном диапазонах с последующим восстановлением двух- и трехмерных карт оксигенации тканей и объема крови. Исследования показали, что существуют различия в изменениях концентрации гемоглобина в здоровой контрольной группе и группой пациентов с ФАТ. Считается, что ДОТ может помочь в диагностике и лечении заболеваний диабетической стопы, предоставляя информацию о распределении кровотока в наиболее пораженных участках. 

Заключение

Оптические неинвазивные диагностические технологии перспективны в изучении осложнений диабета и имеют большой потенциал для клинической оценки. С помощью методов биофотоники можно оценивать состояние микроциркуляторного русла, отслеживать изменения иннервации тканей и диагностировать эффективность терапии сахарного диабета. Различные спектроскопические и визуализирующие методы позволяют оценить такие параметры, как кровоснабжение тканей, степень насыщения кислородом, наличие и концентрацию различных хромофоров, а также оценить изменения в структуре и функционировании различных систем организма.

Последние достижения в оптической неинвазивной диагностике осложнений сахарного диабета предполагают более широкое внедрение оптических технологий в клиническую практику в ближайшем будущем. Предполагаем, что такие технологии, как гиперспектральная, флуоресцентная и спекл-контрастная томография, наиболее близки к широкому внедрению в клиническую практику и уже могут быть использованы в работе лечащего врача. Также большой потенциал имеет сочетание нескольких технологий биофотоники для многопараметрической диагностики, но все описанные технологии требуют дальнейших исследований с тщательной апробацией.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования рамановской спектроскопии, источников ТГц излучения и конфокальной микроскопии на территории РФ