Une nouvelle technique d’imagerie permet de différencier les tissus rectaux, peut éviter les chirurgies inutiles

Le cancer rectal, avec le cancer du côlon, est le troisième type de cancer le plus courant aux États-Unis, et le traitement et la chirurgie affectent grandement la qualité de vie des patients.

Une équipe multidisciplinaire de l’Université de Washington à Saint-Louis a développé et testé une technique d’imagerie innovante capable de différencier les tissus rectaux avec des cancers résiduels et ceux sans tumeurs après chimiothérapie et radiothérapie, ce qui pourrait un jour aider à éviter des chirurgies inutiles en certains patients qui ont atteint une destruction complète de la tumeur après une chimioradiothérapie.

Quing Zhu, PhD, professeur de génie biomédical à la McKelvey School of Engineering, et les membres de son laboratoire ont développé un système utilisant une nouvelle technique d’imagerie -; microscopie photoacoustique à résolution acoustique co-enregistrée avec des ultrasons (AR-PAM / US) et associée à un réseau neuronal d’intelligence artificielle « deep learning ».

Cette technique était mieux en mesure de déterminer la présence de tumeurs résiduelles dans les tissus du lit tumoral rectal traités que d’autres types d’imagerie, comme l’IRM, qui est souvent incapable de discerner un cancer résiduel à partir de tissu cicatriciel.

Résultats de la recherche -; la première étude de faisabilité utilisant l’imagerie AR-PAM chez des patients atteints d’un cancer rectal préalablement traités par radiothérapie et chimiothérapie -; sont publiés dans la revue Radiology le 23 mars.

Notre système PAM / US associé au réseau neuronal d’apprentissage profond a un grand potentiel pour mieux identifier les patients aptes à une prise en charge non opératoire et améliorer la qualité de vie des patients. Si nous pouvons dire après la radiothérapie et la chimiothérapie quels patients peuvent avoir une bonne réponse sans tumeurs résiduelles, le patient pourra peut-être éviter la chirurgie. « 

Quing Zhu, PhD, professeur de génie biomédical, McKelvey School of Engineering

Zhu, également professeur de radiologie à la Faculté de médecine, a été rejoint sur le papier par les doctorants Xiandong Leng, co-premier auteur avec Shihab Uddin, PhD, qui a obtenu un doctorat en génie biomédical de McKelvey Engineering en 2020, et Hongbo Luo; et Sitai Kou.

Ils ont mené une étude prospective d’un an sur des patients atteints d’un cancer rectal traités à l’hôpital Barnes-Jewish de Saint-Louis par des cliniciens de l’École de médecine: Matthew Mutch, MD, Chaire Solon et Bettie Gershman en chirurgie du côlon et rectale, chef de la section de Colon et chirurgie rectale et professeur de chirurgie; et William Chapman Jr., MD, médecin résident en chirurgie.

Zhu a déclaré que les autres qui ont contribué de manière significative à l’étude étaient: Steven R. Hunt, MD, professeur agrégé de chirurgie; Anup Shetty, MD, professeur adjoint de radiologie; Deyali Chatterjee, MD, professeur adjoint de pathologie et d’immunologie; et Michelle Cusumano, coordonnatrice de l’étude dans la section de chirurgie du côlon et rectale.

Chapman a déclaré que l’équipe avait passé plus de trois ans à étudier cette technologie dans des échantillons de côlon et de rectum prélevés chirurgicalement avec des résultats prometteurs avant de développer le prototype pour les études sur les patients.

« Nous espérons que l’imagerie améliorée fournie par AR / PAM améliorera considérablement notre capacité à faire la distinction entre les patients présentant des tumeurs résiduelles et ceux qui ont été complètement guéris sans chirurgie », a-t-il déclaré. «En évitant à la fois une chirurgie morbide et inutile et en réduisant le fardeau des tests de surveillance, l’imagerie photoacoustique pourrait être un bond en avant dans la prise en charge actuelle du cancer rectal localement invasif.

Dans l’étude, après avoir terminé la chimiothérapie et la radiothérapie, les patients ont subi une imagerie PAM / US avec une sonde laser endorectale portable développée dans le laboratoire de Zhu. La sonde a une tête rotative qui permet une image à 360 degrés du rectum, les 6 derniers pouces du côlon.

L’extrémité de la sonde, qui prend une image par seconde, est recouverte d’un petit ballon en latex gonflé d’eau qui permet la transmission des ultrasons et des ondes photoacoustiques à la paroi rectale. Ces ondes mettent en évidence des changements dans le système vasculaire dans les tissus et ainsi qu’une nouvelle croissance tumorale. La procédure d’imagerie a ajouté environ 20 minutes de temps pendant lequel les patients étaient sous anesthésie.

Leng, qui travaille sur ce projet depuis 2017, a joué un rôle déterminant dans le développement de systèmes et de logiciels, a déclaré Zhu. Il a conçu et construit l’endoscope AR / PAM -; le premier du genre -; et programmé le système pour acquérir des données et traiter et afficher des images en temps réel.

« D’après les données ex vivo très préliminaires, ma configuration a clairement révélé une structure multicouche à partir d’une image échographique et de riches vaisseaux sanguins dans la sous-muqueuse du tissu colorectal normal », a déclaré Leng. « Contrairement aux tissus normaux, le lit de la tumeur maligne montre un manque de structure multicouche et de vaisseaux sanguins. Cette découverte importante peut révéler une caractéristique importante pour accéder à la réponse au traitement des patients à la chimiothérapie et à la radiothérapie. »

Dans la première phase de l’étude, l’équipe a utilisé les données d’échantillons de tissus prélevés chirurgicalement sur plus de 2000 images de 22 patients pour entraîner le réseau neuronal, un ensemble d’algorithmes basés sur l’intelligence artificielle fonctionnant de manière similaire au cerveau humain, afin de reconnaître la normale. et le tissu colorectal cancéreux.

Dans la deuxième phase, ils ont utilisé des images de tissus vivants de 10 patients qui avaient déjà subi une chimiothérapie et une radiothérapie. Plusieurs centaines d’images de cinq de ces patients ont été utilisées pour affiner le réseau neuronal, et des centaines d’images de cinq brevets ont été retenues pour les tests.

Le modèle PAM d’apprentissage en profondeur, conçu et développé par Uddin, a correctement prédit le statut cancéreux des cinq patients ayant subi une imagerie, tandis que les images IRM ont mal classé trois patients sur cinq et le modèle d’apprentissage en profondeur à ultrasons uniquement. a déclaré trois patients indemnes de cancer.

Mutch a déclaré que l’équipe était très optimiste quant aux résultats.

« Ce sont des nouvelles spectaculaires, et cela nous rapproche dans la transition du concept à la technologie cliniquement utile », a-t-il déclaré. «L’espoir est que cela nous permettra de différencier les patients qui ont eu une réponse complète à la chimiothérapie et à la radiothérapie de ceux qui ont une tumeur résiduelle. Cela aidera à mieux déterminer quels patients peuvent être traités de manière non opératoire par rapport à ceux qui ont vraiment besoin d’une opération.

À l’avenir, l’équipe prévoit de mener une étude clinique pour confirmer ces premiers résultats dans un grand groupe de patients atteints d’un cancer rectal qui ont terminé une chimiothérapie et une radiothérapie et qui subiront une intervention chirurgicale ou suivront des patients après le traitement.