《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Data science meets FTIR imaging: a promising probe to improve the diagnosis of human uterine muscle lesions
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本研究采用傅里叶变换红外成像（FTIRI）结合病理学分析和统计方法，探究子宫平滑肌肿瘤（包括良性肌瘤和恶性肉瘤）的形态化学特征，旨在发现新的诊断标志物以区分不同亚型及STUMP，提高诊断准确性。
Chiara Santoni | Giulia Orilisi | Stefania Greco | Valentina Notarstefano | Giovanni Delli Carpini | Abel Duménigo Gonzàlez | Federica Giantomassi | Alessandra Filosa | Gaia Goteri | Andrea Ciavattini | Gian Franco Zannoni | Giovanna Orsini | Elisabetta Giorgini | Pasquapina Ciarmela
马尔凯理工大学生命与环境科学系，意大利安科纳60131
摘要
子宫平滑肌肿瘤包括多种类型的肿瘤，从良性的平滑肌瘤（LM）到恶性的平滑肌肉瘤（LMS），以及被归类为“恶性潜力不明的平滑肌肿瘤”（STUMP）的中间类型。准确诊断这些肿瘤类型对于其适当的临床管理至关重要；然而，由于组织学特征的潜在重叠，这一诊断仍然具有挑战性。在这项研究中，采用了一种多学科方法，结合了傅里叶变换红外成像（FTIRI）光谱技术（一种无标记、非破坏性的分析技术）、组织学和统计分析，来研究这些子宫平滑肌肿瘤的形态化学特征。该分析旨在识别新的、可靠的、具有诊断价值的光谱标志物，以补充传统的组织学方法，从而提高在形态特征不确定的病例中的诊断准确性。分析了不同类型的平滑肌瘤组织样本（如普通型、细胞型、坏死型和异常型），并将其与LMS和健康肌层进行了比较。通过对红外数据的单变量和多变量统计分析（如主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA），发现了与每种肿瘤类型相关的独特光谱特征，并表明胶原蛋白含量和组织结构的变化是区分良性与恶性组织以及不同类型平滑肌瘤的关键因素。
引言
平滑肌瘤和平滑肌肉瘤是子宫平滑肌肿瘤，它们的生物学行为差异很大，从良性到恶性都有。平滑肌瘤是良性病变，存在多种组织学类型。最常见的类型是普通型，占大多数病例；它们通常是无症状的，或者伴有异常子宫出血、盆腔疼痛或不孕等症状。其他类型包括细胞型和坏死型，以及较为罕见但诊断难度较大的异常核型。恶性平滑肌肉瘤是一种罕见且侵袭性强的肿瘤，复发率高，预后较差。
从组织学角度来看，普通型平滑肌瘤通常是边界清晰的病变，由排列成交织束的单形梭形细胞组成。这些束状结构通常被不同量的透明化胶原蛋白分隔，可能导致肿瘤形成结节状结构。细胞具有丰富的嗜酸性胞质和均匀的雪茄形核，核仁较小，有少量的有丝分裂现象。细胞型平滑肌瘤的特点是细胞密度较高，细胞呈圆形或椭圆形，胞质较少，通常缺乏普通型的典型束状结构。显著的血管化和间质裂隙是其特征。异常型平滑肌瘤的细胞具有明显异型的、染色深的核，通常多个，且胞质丰富，可能伴有退行性血管改变和慢性炎症浸润，但一般缺乏明显的有丝分裂活动或坏死。恶性平滑肌肉瘤的特征包括凝固性肿瘤细胞坏死、显著的细胞异型性和高有丝分裂指数。确诊这三个特征同时存在是必要的。
到目前为止，这些病变的诊断主要依赖于常见的无创成像技术，如超声、磁共振成像、计算机断层扫描和正电子发射断层扫描。首先通常使用超声检查，因为它易于获取，但提供的关于病变恶性程度的信息较少。下一步是磁共振成像，这是一种更详细的子宫组织表征技术，可以通过显示不规则或浸润性边缘来更好地区分病变性质。最近，结合PET和CT的方法在检测转移方面取得了成功的结果。
这些病理情况具有挑战性，因为它们有时在临床、放射学和组织病理学特征上非常相似，这使得在早期阶段难以做出准确诊断，难以区分良性和恶性病变。为了解决这一诊断难题，世界卫生组织（WHO）在2014年引入并完善了“恶性潜力不明的平滑肌肿瘤”（STUMP）的分类。这一类别包括那些不符合恶性肿瘤全部标准但又不能被确定为良性的肿瘤。值得注意的是，异常核型平滑肌瘤经常被归入这一类别，因为它们的细胞异型性明显，类似于LMS，尽管缺乏其他恶性特征。
这种诊断上的不确定性凸显了迫切需要更客观、更可靠的标志物来改进子宫平滑肌肿瘤的分类和管理。近年来，分子研究致力于识别能够区分良性和恶性病变的生物标志物，并明确STUMP的 status。在这方面，Raf激酶抑制剂蛋白（RKIP）和hypusinated eIF5A被提出作为潜在的诊断标志物，用于区分良性和恶性子宫平滑肌肿瘤。
在过去几十年中，傅里叶变换红外成像（FTIRI）光谱技术已成为一种强大的无标记分析工具。FTIRI已被应用于研究人体多个部位的肿瘤样本，包括口腔、前列腺、肺、肠道、乳腺、皮肤等。通过将光学显微镜与先进的阵列探测器相结合，该技术可以同时在同一样本上收集显微照片和红外图像，每个像素对应一个红外光谱。因此，可以通过将主要大分子（如蛋白质、脂质、核酸、碳水化合物等）的拓扑分布和组成与组织结构关联起来，从而获得样本的形态化学特征。最近，我们的某些作者成功应用FTIRI阐明了子宫纤维化疾病的生化特征，提供了关于细胞外基质（ECM）及其成分（特别是胶原蛋白）结构组织的宝贵见解。
基于这些有趣的结果，本研究提出了一种多学科方法，结合FTIRI光谱技术、组织学分析和统计方法（包括多变量和单变量分析），以区分子宫平滑肌病变，特别关注区分平滑肌肉瘤和不同类型的平滑肌瘤。最终目标是开发额外的客观、基于图像的诊断标准，以补充组织病理学评估并提高复杂病例的诊断准确性。
组织样本来自马尔凯理工大学安科纳联合医院病理解剖实验室以及罗马A. Gemelli大学医院妇女和儿童健康部门。样本采集获得了马尔凯人类研究委员会的批准（协议代码MORFO-GF，2024年11月14日生效）。
研究了以下样本：5例平滑肌肉瘤（LMS组）样本；5例...
使用Masson三色染色法根据不同的颜色来识别各种组织成分，如胶原蛋白（蓝色/青色）、肌纤维（粉色）以及胞质和细胞核（红色/棕色）。基于此，分析了代表性平滑肌肉瘤（LMS）样本（图1A）、细胞型平滑肌瘤（LM-CL）、普通型平滑肌瘤（LM-US）、坏死型平滑肌瘤（LM-AP）和异常型平滑肌瘤（LM-BZ）样本（分别见图1B–E）以及健康肌层（M）样本（图1F）的组织学图像。
子宫平滑肌肿瘤包括一系列生物学行为差异显著的肿瘤，从良性平滑肌瘤（LM）到恶性平滑肌肉瘤（LMS），以及中间类型的STUMP。在良性平滑肌瘤中，存在多种组织学类型，包括普通型（LM-US）、细胞型（LM-CL）、异常型（LM-BZ）和坏死型（LM-AP），这些类型有时会表现出与恶性病变重叠的特征，从而增加了诊断的复杂性。
这项初步研究证明了所提出的多学科方法在人类子宫肌肉病变鉴别诊断中的应用潜力。事实上，FTIR成像光谱技术与组织学以及多变量和单变量分析的结合提供了互补的信息，可能在诊断困难的情况下发挥作用。新的、可靠的光谱标志物，主要涉及胶原蛋白和核酸的相对含量和结构，有助于提高诊断准确性。
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
作者感谢Alessia Belloni博士在获取红外图像方面的宝贵贡献。C.S.感谢获得的奖学金（CUP: I32B23001220007），该奖学金由国家恢复与韧性计划（NRRP）的“教育与研究”任务4“提升教育服务供给：从托儿所到大学”部分以及投资4.1“扩大公共行政和文化领域的研究博士学位数量”资助。
