Rapid, label-free histopathological diagnosis of liver cancer based on Raman spectroscopy and deep learning | Nature Communications
Yi Wang & Qingwen Zhang groups
2023, Nature communications
Abstract
(조직) 생검은 간암의 진단에 있어 표준으로 여겨진다. 하지만, 이 방법은 구획화와 염색, 그리고 잘 훈련된 병리학자를 필요로 한다.
이 연구에서 우리는 라만 분광법을 이용해 인간의 간 조직 샘플을 연구하고, 간암의 진단을 위한 수술중/체외 workflow를 개발하고 검증했다. 우리는 라만 분광법과 딥러닝을 이용해 label-free 한 암 조직을 암 조직 근처 정상 조직과 구분해 냈고, 이는 조직대사학적인 방법으로 검증되었다.
이 기술은 아종(subtype), 분화 정도, 암 기수 등 암 조직의 세분화된 병리적 확인을 가능하게 한다. 2D/3D 라만 이미지는 분자 구성의 시각화를 기반으로 획득되었고, 이는 종양 경계 인식 및 임상병리학적 진단에 도움이 될 수 있다.
마지막으로, 휴대가능한 라만 시스템의 실시간 수술 중 인간 간암 진단의 가능성에 대해서도 기술되었다.
라만 분광법(Raman spectroscopy)은 1928년 인도의 과학자 찬드라 세카르 라만이 발견한 라만 효과를 이용, 특정 분자에 레이저를 쏘았을 때 그 분자의 전자의 에너지준위의 차이만큼 에너지를 흡수하는 사건을 통해 분자의 종류를 알아내는 방법이다.
위 그림은 논문에서 사용한 분석법의 schema.
532nm 의 excitation wavelength 가 사용되었음. 보통 biological sample ananlysis 시에는 이 파장보다 긴 파장을 주로 사용하는데, 여기서는 라만 파장의 signal-to-noise ratio가 짧은 파장에서 더 좋은 결과를 보여서 더 짧은 파장을 사용함.
1) Paracancer-cancer matched 파장이 딥러닝 모델로 들어가서 학습됨.
2) Input data shape : 500 to 2000 cm−1 with 889 one-dimensional float data
3) 최소 50개의 파장이 각 tissue sample 의 무작위 위치에서 선별됨.
4) 대부분의 tissue sample 에서 19개의 라만 파장 peak 가 검출됨. 대부분의 paracancer, cancer 의 파장은 겹치는 듯 보이나, paracancer 에서의 peak 가 약간 더 높았음.
5) 각 peak 들은 아미노산, 단백질, carotenoid 가 대부분인데 이들은 biomarker 로서 사용되는 것 들도 있음. 따라서 이러한 peak 들의 차이가 paracancer, cancer의 생화학적 구성을 반영함.
6) Accuracy 92.6% | Sensitivity 90.8% | Specificity 94.6%
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| Non-targeted metabolomics analysis of HCC tissues and adjacent non-tumour tissues. | Fig. 4: Raman imaging of liver tissue blocks for cancer margin delineation |
Metabolomic analysis 도 동반되었는데, 이는 파동이 내포하는 생화학적 변화가 실제로 확인하기 위함.
Differentially metabolite 는 57 metabolites in ESI+ mode and 51 in ESI− mode 가 나왔고, 이를 대상으로 heatmap 을 그려봤음.
보라색이 Normal, 노란색이 cancer.
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| 다른 종류의 tissue 를 이용한 raman imaging | Intraoperative detection with a handheld fibre-coupled Raman spectrometer. |
다른 종류의 tissue 들을 이용한 SMCR 알고리즘에서 도출된 영상의 비교.
지질과 단백질 농도의 변화 나타냄.
정상 간 조직에서 단백질은 핵 부위에 더 높은 농도를 보였고, 지질은 주로 간세포 주변 부위에 분포
암세포에서 단백질은 대부분 세포막 근처에 분포하며 내부 세포는 더 적음
생화학적 구성 요소의 공간 분포에서 이러한 차이는 일반적으로 H&E로 얼룩진 이미지에서 식별하기 어려운데, Raman 방법에서는 잘 보이더라
오른쪽 이미지는
handheld portable Raman spectrometer system equipped with a 785 nm NIR laser and a computerized CCD spectrometer 로 측정한 결과. 이런 장비로도 측정이 잘 되더라는 이야기. micro 장비로 한 것과 비교하여 peak 가 약간 다르긴 했지만, cancer, paracancer 를 구분하는 것은 문제가 없었음.
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