In vivo molecular imaging of epithelial pre - cancers based on dynamic optical scattering modeling

Abstract

We present a novel biophotonic method and imaging modality for estimating and mapping neoplasia-specific functional and structural parameters of the cervical precancerous epitheli-um. Estimations were based on experimental data obtained from contrast-enhanced optical imaging of cervix, in vivo. The dynamic characteristics of the measured optical signal are governed by the epithelial transport effects of the biomarker. A compartmental, pharmacoki-netic, model of the cervical neoplastic epithelium has been developed. Nine structural and functional parameters have been identified to be potentially correlated with the neoplasia growth and to be manifested to the measured data in a convoluted manner. We performed Global Sensitivity Analysis for the purpose of identifying key determinants of the model’s out-put. We have shown that it is possible to estimate the following neoplasia related parameters: number of neoplastic layers, extracellular space dimensions, functionality of tight junctions and extracellular pH. Global optimization techniques showed that the estimations of our meth-od are of adequate accuracy and precision. Particularly, the Differential Evolution algorithm converged to these four parameters with an error of roughly 1%. We show that the estimated values are quite consistent with information provided in the literature. Our results are unique in the sense that for the first time functional and microstructural parameter maps can be esti-mated and displayed together, thus maximizing the diagnostic information. The quantity and the quality of this information are unattainable by other invasive and non invasive methods. The findings of this thesis suggest strongly that our method may become a valuable diagnos-tic tool that will facilitate the development and evaluation of new cancer therapies.

Παρουσιάζουμε μία καινοτόμο βιοφωτονική μέθοδο μοριακής απεικόνισης για την εκτίμηση και χαρτογράφηση των λειτουργικών και δομικών παραμέτρων του επιθηλίου του τραχή-λου της μήτρας κατά τη διάρκεια εξέλιξης της νεοπλασίας. Οι εκτιμήσεις βασίστηκαν σε in vivo πειραματικά δεδομένα οπτικής απεικόνισης ενισχυμένης-αντίθεσης. Τα δυναμικά χα-ρακτηριστικά του μετρούμενου οπτικού σήματος διέπονται από τα φαινόμενα επιθηλιακής μεταφοράς του βιοδείκτη. Βάσει αυτών αναπτύχθηκε ένα διαμερισματικό, φαρμακοκινητικό μοντέλο του νεοπλαστικού επιθηλίου. Οι παράμετροι που συσχετίζονται με την ανάπτυξη νεοπλασίας εμφανίζονται στα μετρούμενα δεδομένα με περίπλοκο τρόπο. Έτσι, βάσει κα-θολικής ανάλυσης ευαισθησίας εντοπίστηκε το υποσύνολο των παραμέτρων εισόδου που αποτελούν τους πιο καθοριστικούς παράγοντες. Αποδείξαμε ότι είναι δυνατόν να εκτιμη-θούν οι ακόλουθες παράμετροι: ο αριθμός των νεοπλαστικών στρωμάτων, οι διαστάσεις του εξωκυττάριου χώρου, η λειτουργικότητα των σφιχτών δεσμών και το εξωκυττάριο pH. Τεχνικές καθολικής βελτιστοποίησης, έδειξαν ότι οι εκτιμήσεις της μεθόδου μας είναι επαρ-κείς ως προς την ορθότητα και την ακρίβειά τους. Ιδιαίτερα, οι εκτιμήσεις τoυ αλγόριθμου της Διαφορικής Εξέλιξης συνέκλιναν με σφάλμα περίπου 1%. Κατόπιν τούτου, δείχνουμε ότι οι εκτιμώμενες τιμές είναι αρκετά συνεπής με τις πληροφορίες που παρέχονται στη βιβλιογραφία. Τα απο-τελέσματά μας είναι μοναδικά υπό την έννοια ότι χάρτες των λειτουργικών και μικροδομι-κών παραμέτρων μπορούν να υπολογίζονται και εμφανίζονται μαζί για πρώτη φορά, μεγι-στοποιώντας κατά συνέπεια τη διαγνωστική πληροφορία.