SINGLE ARTICLE VIEW

Παρουσίαση διατριβής - Παπουτσόγλου Γ.

Θέμα διδακτορικής διατριβής: "In vivo molecular imaging of epithelial pre-cancers based on dynamic optical scattering modeling"

Παρουσίαση: Πέμπτη 27 Μαρτίου 2014, 4μ.μ. Κεντρικό Αμφιθέατρο Σχολής ΗΜΜΥ, Κτίριο Επιστημών

Εξεταστική επιτροπή

Καθ. Μπάλας Κων/νος, επιβλέπων

Καθ. Ζερβάκης Μιχάλης, συν-επιβλέπων

Καθ. Ντζιαχρήστος Βασίλης, συν-επιβλέπων

Καθ. Παραγεωργίου Μάρκος, μέλος

Καθ. Καλαϊτζάκης Κων/νος, μέλος

Καθ. Σταυρακάκης Γιώργος, μέλος

Αναπ. Καθ. Θεοδωρόπουλος Παναγιώτης, μέλος

Περίληψη
Στα πλαίσια της διατριβής αυτής παρουσιάζουμε μία καινοτόμο βιοφωτονική μέθοδο μοριακής απεικόνισης για την εκτίμηση και χαρτογράφηση των λειτουργικών και δομικών παραμέτρων του επιθηλίου του τραχήλου της μήτρας κατά τη διάρκεια εξέλιξης της νεοπλασίας. Οι εκτιμήσεις βασίστηκαν σε πειραματικά δεδομένα, που λαμβάνονται μέσω δυναμικής, ενισχυμένης-αντίθεσης, οπτικής απεικόνισης του τραχήλου μήτρας, in vivo. Τα δυναμικά χαρακτηριστικά του μετρούμενου οπτικού σήματος διέπονται από τα φαινόμενα επιθηλιακής μεταφοράς του βιοδείκτη. Βάσει αυτών αναπτύχθηκε ένα διαμερισματικό, φαρμακοκινητικό μοντέλο του νεοπλαστικού επιθηλίου του τραχήλου που προβλέπει τα δυναμική οπτικά αποτελέσματα σε όλους τους δυνατούς συνδυασμούς τιμών των παραμέτρων του. Εννέα δομικές και λειτουργικές βιολογικές παράμετροι του ιστού εντοπίστηκε να συσχετίζονται με την ανάπτυξη νεοπλασίας οι οποίες εμφανίζονται στα μετρούμενα δεδομένα με περίπλοκο τρόπο. Έτσι, χρησιμοποιήσαμε μεθόδους καθολικής ανάλυσης ευαισθησίας με σκοπό τον εντοπισμό του υποσυνόλου εκείνου των παραμέτρων εισόδου που αποτελούν τους πιο καθοριστικούς παράγοντες της εξόδου του μοντέλου. Για πρώτη φορά αποδείξαμε ότι είναι δυνατόν να εκτιμηθεί, από δεδομένα δυναμικής οπτικής απεικόνισης μετρούμενα in vivo, οι ακόλουθες συναφής με τη νεοπλασία 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 επαρκείς ως προς την ορθότητα και την ακρίβειά τους. Ιδιαίτερα, o αλγόριθμος της Διαφορικής Εξέλιξης συνέκλινε στο σύνολο των τεσσάρων, πιο ευπροσδιόριστων, παραμέτρων με σφάλμα περίπου 1%. Κατόπιν τούτου, δείχνουμε ότι οι εκτιμώμενες, σε δύο εκατομμύρια εικονοστοιχεία, τιμές των τεσσάρων αυτών παραμέτρων είναι αρκετά συνεπής με τις πληροφορίες που παρέχονται στη βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματά μας είναι μοναδικά υπό την έννοια ότι χάρτες των λειτουργικών και μικροδομικών παραμέτρων μπορούν να υπολογίζονται και εμφανίζονται μαζί για πρώτη φορά, μεγιστοποιώντας κατά συνέπεια τη διαγνωστική πληροφορία.

Η ποσοτική και η ποιοτική προσέγγιση αυτών των πληροφοριών είναι ανέφικτη από άλλες επεμβατικές και μη επεμβατικές μεθόδους σήμερα. Τα ευρήματα της διατριβής αυτής προτείνουν ανεπιφύλακτα ότι η μέθοδός μας μπορεί να βελτιώσει την κατανόηση των μηχανισμών ανάπτυξης της νεοπλασίας καθώς και της φυσιολογίας των μεταστατικών όγκων. Ως φυσικό επακόλουθο, αυτή η μελέτη μπορεί να αποτελέσει ένα πολύτιμο διαγνωστικό εργαλείο που θα διευκολύνει την ανάπτυξη και την αξιολόγηση νέων θεραπειών του καρκίνου.

Abstract
We present a novel biophotonic method and imaging modality for estimating and mapping neoplasia-specific functional and structural parameters of the cervical precancerous epithelium. Estimations were based on experimental data obtained from dynamic 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, pharmacokinetic, model of the cervical neoplastic epithelium has been developed, which predicts the dynamic optical effects in all possible parameter value combinations. Nine biological parameters, both structural and functional, have been identified to be potentially correlated with the neoplasia growth and to be manifested to the measured data in a convoluted manner. We have performed Global Sensitivity Analysis for the purpose of identifying the subset of the input parameters that are the key determinants of the model’s output. We have for the first time shown that it is possible to estimate, from in vivo measured dynamic optical data, 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 method are of adequate accuracy and precision. Particularly, the Differential Evolution algorithm converged to the set of the four, most identifiable, parameters with an error of roughly 1%. We show that the estimated, in two millions of pixels, values of the four parameters 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 estimated 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 can improve our understanding of the neoplasia development mechanisms and of tumor growth and metastasis physiology. Corollary, it may become a valuable diagnostic tool that will also facilitate the development and evaluation of new cancer therapies.

Παρουσίαση Διατριβής

Μπορείτε να παρακολουθήσετε την παρουσίαση της διατριβής από το παρακάτω βίντεο.

 

<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/LKD3lweEzh4" frameborder="0" allowfullscreen=""></iframe>

 

Αρχεία

Κείμενο  διδακτορικής διατριβής (Ιδρυματικό Αποθετήριο Πολυτεχνείου Κρήτης)

Παρουσίαση διδακτορικής διατριβής (pdf)