A set of optical techniques for improving the diagnosis of early upper aerodigestive tract cancer

IntroductionEarly diagnosis of cancer of the upper aerodigestive tract (UADT) and its precursors may greatly improve the prognosis of the patients concerned. It seems possible that this goal can be reached using a combination of non-invasive optical methods.Materials and methodsIn groups of patients (n=15–80) with, or at a high risk of developing, a malignant lesion of the UADT, different optical methods were investigated: autofluorescence imaging (AFI; n=80) and enhanced fluorescence imaging (EFI; n=79) using 5-aminolevulinic acid (5-ALA)-induced protoporphyrin IX (PpIX) as tools for optical screening; multiple fluorophore analysis (MFA; n=18) and elastic scattering spectroscopy (ESS; n=25) as “optical biopsy” methods; and optical coherence tomography (OCT; n=15) as a method to investigate the depth of a lesion (i.e. to differentiate dysplasia from early invasive cancer).ResultsUsing AFI or EFI in combination with conventional inspection, the detection of dysplastic/early malignant lesions was markedly improved (6 additional lesions for AFI vs. 7 for EFI). The lesions were furthermore easier to delimit from innocuous mucosa when applying fluorescence imaging. Both “optical biopsy” methods (MFA and ESS) proved able to differentiate between normal and cancerous mucosa (MFA: sensitivity 100%/specificity 94.4%; ESS: sensitivity 70.0%/specificity 78.8%). Using OCT, it was possible to clearly identify epithelial layers, basal membranes and superior lamina propria and disruptions within these in all patients examined.ConclusionsEven though so far the results are based on a very limited number of patients, the optical diagnostic methods investigated appear to be helpful for the detection, differentiation and mapping of early mucosal lesions of the UADT. Especially when used in combination with one another, they show great promise for improving early tumor diagnosis to the point that invasive measures such as diagnostic biopsies may well become redundant.

ZusammenfassungEinleitungDie frühe Diagnostik von Malignomen des oberen Aerodigestivtraktes (OADT) sowie deren Vorstufen könnte die Prognose der betroffenen Patienten entscheidend verbessern. Es erscheint möglich, dass dieses Ziel durch eine Kombination nicht-invasiver optischer Verfahren erreicht werden kann.Material und MethodenIn Patientengruppen unterschiedlicher Stärke (n=15 bis 80) mit malignen Läsionen bzw. mit hohem Risiko für eine maligne Läsion im OADT wurden unterschiedliche optische Diagnostikmethoden untersucht: die Autofluoreszenzbildgebung (AFI; n=80) und die verstärkte Fluoreszenzbildgebung (EFI; n=79) unter Verwendung von 5-ALA-induziertem Protoporphyrin IX (PpIX) als Hilfsmittel zum optischen Screening; die Multiple Fluorophoranalyse (MFA; n=18) und die „Elastic Scattering”-Spektroskopie (ESS; n=25) als optische Biopsiemethoden sowie die Optische Kohärenztomographie (OCT; n=15) als eine Methode zur Einschätzung der Tiefenausdehnung der Läsionen (also zur Differenzierung von Dysplasien und frühinvasiven Veränderungen).ErgebnisseDurch Verwendung von AFI und EFI in Kombination mit der herkömmlichen Inspektion unter Weißlicht war die Erkennung dysplastischer/frühmaligner Veränderungen deutlich verbessert (6 zusätzlich gefundene Läsionen durch die AFI; 7 durch die EFI). Die Läsionen waren in der Fluoreszenzbildgebung zusätzlich leichter gegenüber gesunder Schleimhaut abgrenzbar. Beide optischen Biopsiemethoden (MFA und ESS) erwiesen sich als geeignet, normale von kanzeröser Schleimhaut zu unterscheiden (MFA: 100% Sensitivität/94.4% Spezifität; ESS: 70.0% Sensitivität/78.8% Spezifität). Mittels OCT was es möglich, in allen Fällen die Epithelschicht, die Basalmembran und die Lamina propria sowie Unterbrechungen derselben zu identifizieren.SchlussfolgerungenObwohl die Ergebnisse auf einer bisher sehr begrenzten Patientenzahl beruhen, scheinen die untersuchten optischen Methoden hilfreich zur Detektion, Differenzierung und Ausdehnungsbestimmung früher Schleimhautläsionen des OADT zu sein. Insbesondere eine kombinierte Anwendung ist dahingehend vielversprechend, dass die Tumorfrühdiagnostik soweit verbessert werden kann, dass invasive Maßnahmen, wie diagnostische Biopsien, möglicherweise unnötig werden.