Chemometric and statistical analysis of FTIR spectrohistopathology for the identification of cancer metastasis to lungs

Celem niniejszej pracy było opracowanie analizy widm absorpcyjnych w zakresie podczerwieni (FTIR), do detekcji mikroprzerzutów i nowotworu wtórnego płuc, w mysim modelu raka sutka. Tkanki płuc zdrowych myszy, modelu BALB/cAnNCrl oraz pobrane w trzecim i piątym tygodniu po ortotropowej iniekcji komórek nowotworowych raka sutka typu 4T1, zostały zbadane za pomocą obrazowania w podczerwieni, w trybie standardowej i zwiększonej rozdzielczości przestrzennej, a następnie poddane analizie technikami chemometrycznymi. Otrzymane widma FTIR charakteryzują tkanki płuc na danym etapie progresji nowotworowej. Ich odpowiednie przygotowanie umożliwiło szczegółową analizę zmian spektralnych zachodzących w profilu biochemicznym, pod wpływem rozwoju choroby. Zmiany te potwierdzono stosując analizę skupień i analizę głównych składowych. Widma FTIR zarejestrowane w trybie zwiększonej rozdzielczości przestrzennej mikroskopu FTIR (ok. 2-3 μm) ukazały większe różnice spektralne, niewidoczne podczas pomiarów dokonanych w trybie standardowej rozdzielczości (ok. 8-10 μm). Scharakteryzowano m.in zakrzep krwi w żyle płucnej, kolagenową ścianę naczyń krwionośnych czy megakariocyty obecne we krwi krążącej. Stwierdzono również, iż oba tryby pomiarowe mogą być stosowane do detekcji mikroprzerzutu i określenia jego dystrybucji w tkance.

The purpose of this work was to develop an analysis of infrared absorption spectra (FTIR) for detection of micrometastases and secondary tumors in lungs in a mouse model of breast cancer. Lung tissues of healthy mouse BALB / cAnNCrl and collected in the third and fifth post-onset ortotropic breast cancer cell carcinoma type 4T1, were examined by infrared imaging in the low and high magnification modes and then analyzed by using chemometric methods. Lung tissue were characterized by FTIR imaging spectroscopy at each stage of the tumor progression. The chosen preparation of tissue cross- sections allowed for a detailed analysis of spectral changes highlighting overall biochemical profile of the lungs. These changes were confirmed using Hierarchical Cluster Analysis and Principal Component Analysis. FTIR spectra recorded in the standard spatial resolution of the FTIR microscope (ca. 2-3 μm) showed more detailed spectral characterization of the tissues than those collected using the low magnification mode (ca. 8-10 μm). Several tissue compartments were identified, e.g. blood clot in pulmonary vein, collagen vascular wall or megakaryocytes in circulating blood. The work also showed that IR imaging at both spatial resolution level is capable to detect micrometastasis.