Einflussnehmende Faktoren auf die diagnostische Wertigkeit der optischen Vibrationsspektroskopie kleinster Gewebeproben - eine ex vivo Machbarkeitsstudie am oralen Plattenepithelkarzinom

Abstract

Ziel der Arbeit ist die Erprobung eines eigens entwickelten Raman-Spektroskopie-Systems basierend auf der SERDS-Technik (shifted-excitation Raman difference spectroscopy) zur Analyse kleinster ex vivo Gewebeproben physiologischer Mundschleimhaut und des oralen Plattenepithelkarzinoms (engl.: oral scquamus cell carcinoma = OSCC), um die Einsetzbarkeit dieser minimalinvasiven und zeitsparenden Diagnostikmethode auch für diese Art von Gewebeproben zu prüfen. Es wurden 47 Gewebeproben von 29 Patient:innen untersucht. Die Methodik erwies sich als geeignet, um störungsfreie Raman-Spektren zu akquirieren und eine zuverlässige Differenzierung zwischen OSCC-Gewebe und gesunder Mundschleimhaut mit einer Spezifität und Sensitivität von 96,9 % bzw. 97,5 % zu erreichen. Darüber hinaus wurden störende Interferenzen durch iatrogene Verunreinigungen, Unterschreitung der Mindestschichtdicke der Proben und Umgebungseinflüsse identifiziert und beseitigt. Der Effekt der Formalin-Fixierung der Gewebeproben auf die Akquise und Differenzierung von Raman-Spektren wurde ebenfalls untersucht, wobei die Interferenz des Raman-Spektrums von Formalin auf das Raman-Spektrum der Gewebeproben nachgewiesen werden konnte. Dies führte zu einer Abnahme der Sensitivität von 97,6 % auf 90,9 % und der Spezifität von 93 % auf 78,9 %. Ebenfalls wurde der mögliche Einfluss der interanatomischen Variabilität im Aufbau oraler Gewebe auf die Akquirierung von Raman-Spektren von OSCC-Gewebe untersucht, ohne eine signifikante Diskriminierung in Bezug auf den topographischen Ursprung der Gewebeproben zu erzielen. Es wurden somit Voraussetzungen geschaffen, um eine zukünftige, möglichst fehlerfreie Analyse auch von kleinsten Gewebeproben unterschiedlichster Entitäten, einschließlich Vorläuferläsionen des OSCC, zu gewährleisten. Die bisher bestehende diagnostische Lücke zwischen der subjektiven Beurteilung durch den Arzt und der chirurgischen Probengewinnung mit der histopathologischen Gewebeaufarbeitung kann so durch objektive Parameter auch für diese kleinsten, oralen Gewebeproben perspektivisch geschlossen werden. Insgesamt bietet die Anwendung der Raman-Spektroskopie bei weiterem Entwicklungsbedarf für die in situ Anwendung die Möglichkeit, als technisch-diagnostische Methode der Gewebedifferenzierung im Point-of-Care-Setting das Spektrum der nicht-invasiven Diagnostik zu erweitern.

The aim of the work is to test a custom-developed Raman-spectroscopy system based on the SERDS technique (shifted-excitation Raman difference spectroscopy) for analyzing smallest ex vivo tissue samples of physiological oral mucosa and oral squamous cell carcinoma (OSCC) in order to examine the applicability of this minimally invasive and time-saving diagnostic method for this type of tissue sample. 47 tissue samples from 29 patients were examined. The method proved to be suitable for acquiring interference-free Raman spectra and achieving a reliable differentiation between OSCC tissue and healthy oral mucosa with a specificity and sensitivity of 96.9% and 97.5% respectively. In addition, interferences due to iatrogenic contamination, undercutting of the minimum layer thickness of the samples and environmental influences were identified and eliminated. The effect of formalin fixation of the tissue samples on the acquisition and differentiation of Raman spectra was also investigated, whereby the interference of the Raman spectrum of formalin on the Raman spectrum of the tissue samples could be detected. This led to a decrease in sensitivity from 97.6 % to 90.9 % and in specificity from 93 % to 78.9 %. The possible influence of interanatomical variability in the structure of oral tissue on the acquisition of Raman spectra of OSCC tissue was also investigated without achieving significant discrimination with regard to the topographical origin of the tissue samples. Thus, the preconditions were provided to ensure a future, error-free analysis of even the smallest tissue samples of different entities, including precursor lesions of OSCC. The existing diagnostic gap between the subjective assessment by the doctor and the surgical sample collection with histopathological tissue processing can thus be closed in the future by objective parameters, even for these smallest oral tissue samples. Overall, the application of Raman spectroscopy offers the possibility of expanding the spectrum of non-invasive diagnostics as a technical diagnostic method of tissue differentiation in the point-of-care setting, provided that further development is required for in situ application.