Infrared microspectroscopy of inflammatory process and colon tumors.

According to the last global burden of disease published by the World Health Organization, tumors were the third leading cause of death worldwide in 2004. Among the different types of tumors, colorectal cancer ranks as the fourth most lethal. To date, tumor diagnosis is based mainly on the identification of morphological changes in tissues. Considering that these changes appears after many biochemical reactions, the development of vibrational techniques may contribute to the early detection of tumors, since they are able to detect such reactions. The present study aimed to develop a methodology based on infrared microspectroscopy to characterize colon samples, providing complementary information to the pathologist and facilitating the early diagnosis of tumors. The study groups were composed by human colon samples obtained from paraffin-embedded biopsies. The groups are divided in normal (n=20), inflammation (n=17) and tumor (n=18). Two adjacent slices were acquired from each block. The first one was subjected to chemical dewaxing and H&E staining. The infrared imaging was performed on the second slice, which was not dewaxed or stained. A computational preprocessing methodology was employed to identify the paraffin in the images and to perform spectral baseline correction. Such methodology was adapted to include two types of spectral quality control. Afterwards the preprocessing step, spectra belonging to the same image were analyzed and grouped according to their biochemical similarities. One pathologist associated each obtained group with some histological structure based on the H&E stained slice. Such analysis highlighted the biochemical differences between the three studied groups. Results showed that severe inflammation presents biochemical features similar to the tumors ones, indicating that tumors can develop from inflammatory process. A spectral database was constructed containing the biochemical information identified in the previous step. Spectra obtained from new samples were confronted with the database information, leading to their classification into one of the three groups: normal, inflammation or tumor. Internal and external validation were performed based on the classification sensitivity, specificity and accuracy. Comparison between the classification results and H&E stained sections revealed some discrepancies. Some regions histologically normal were identified as inflammation by the classification algorithm. Similarly, some regions presenting inflammatory lesions in the stained section were classified into the tumor group. Such differences were considered as misclassification, but they may actually evidence that biochemical changes are in course in the analyzed sample. In the latter case, the method developed throughout this thesis would have proved able to identify early stages of inflammatory and tumor lesions. It is necessary to perform additional experiments to elucidate this discrepancy between the classification results and the morphological features. One solution would be the use of immunohistochemistry techniques with specific markers for tumor and inflammation. Another option includes the recovering of the medical records of patients who participated in this study in order to check, in later times to the biopsy collection, whether they actually developed the lesions supposedly detected in this research.

De acordo com o último compêndio de doenças publicado pela Organização Mundial da Saúde, tumores foram a terceira principal causa de morte mundial em 2004, sendo o câncer colorretal o quarto mais letal. O diagnóstico de tumores baseia-se, principalmente, na identificação de alterações morfológicas dos tecidos. Considerando-se que estas surgem após alterações bioquímicas, o desenvolvimento de técnicas espectroscópicas pode contribuir para a identificação de tumores em estágios iniciais, já que estas são capazes de caracterizar bioquimicamente as amostras em estudo. Esta pesquisa teve por objetivo desenvolver uma metodologia baseada em microespectroscopia infravermelha para caracterização de amostras de cólon, visando fornecer informações complementares ao médico patologista. Foram estudados três grupos de amostras obtidas de biópsias humanas incluídas em parafina: tecido normal (n=20), lesões inflamatórias (n=17) e tumores (n=18). Dois cortes histológicos adjacentes foram coletados de cada bloco. O primeiro corte foi submetido à remoção química de parafina e coloração H&E. O segundo corte foi utilizado para aquisição de imagens espectrais, não sendo submetido à remoção de parafina ou à coloração química. Foi implementada uma técnica computacional para pré-processamento dos espectros coletados, visando identificar a parafina nas imagens e corrigir variações na linha de base espectral. Tal metodologia foi adaptada para incluir dois tipos de controle de qualidade espectral. Após o pré-processamento, espectros pertencentes a uma mesma imagem foram comparados e agrupados de acordo com suas semelhanças bioquímicas. Os grupos obtidos foram submetidos à análise de um médico patologista que associou cada grupo a uma estrutura histológica, tendo como base o corte corado com H&E. Esta análise revelou as diferenças bioquímicas entre os três grupos estudados. Os resultados mostraram que inflamações severas tem propriedades bioquímicas semelhantes às dos tumores, sugerindo que estes podem evoluir a partir de tais inflamações. Foi construído um banco de dados espectral contendo as informações bioquímicas identificadas em cada grupo na etapa anterior. Espectros de novas amostras foram comparados com a informação contida no banco de dados, possibilitando a sua classificação em um dos três grupos: normal, inflamação ou tumor. O banco de dados foi validado interna e externamente por meio da sensibilidade, especificidade e acurácia de classificação. Discrepâncias foram encontradas ao comparar os resultados da classificação com os cortes histológicos corados com H&E. Algumas regiões que se mostram histologicamente normais foram identificadas como inflamação pelo algoritmo de classificação, assim como regiões histologicamente inflamadas foram classificadas no grupo tumoral. Tais discrepâncias foram consideradas como erros de classificação, ainda que possam ser indícios de que alterações bioquímicas estejam ocorrendo nos tecidos analisados. Neste caso, a metodologia desenvolvida teria se mostrado capaz de identificar precocemente lesões inflamatórias e tumorais. É necessário realizar experimentos adicionais para elucidar esta discrepância entre o algoritmo de classificação e a morfologia do tecidual. Uma solução seria o emprego de técnicas de imunohistoquímica com marcadores específicos para câncer e inflamação. Outra opção seria recuperar os registros médicos dos pacientes que participaram deste estudo para verificar se, em períodos posteriores à coleta da biópsia, houve realmente o desenvolvimento das lesões supostamente identificadas neste estudo.