Background: Modulation interference microscopy is one of the promising technologies for early personalized cancer diagnostics, while it gives the possibility to obtain real-time images of living functioning cells at a nanometer resolution, as well as to assess spatio-temporal changes of their intracellular structures.
Aim: To identify the markers of malignant transformation of cells based on a multiple scale spatio-temporal of the data obtained by lase interferometry during in situ registration of changes in intracellular structures.
Materials and methods: The study was performed with the breast adenocarcinoma MCF-7 cell line and human kidney epithelial cells HEK 293 provided by the N.N. Blokhin National Medical Research Centre of Oncology (Moscow, Russia). Changes in fluctuation of the living cell phase thickness were measured with a laser modulation interference microscope MIM-340 (PA UOMZ, Russia). The multifractal detrended fluctuation analysis (MF-DFA) was used to assess the results obtained.
Results: By comparison of the scaling exponential spectra and corresponding spectra of the singular fluctuations in the minimal and maximal diameters of the phase pictures of HEK 293 cells and MCF-7 cells, it was shown that the cancer cell dynamics has definite monofractal properties: a linear dependency of the scaling exponents τ from the actual q parameter and “dotted” singularity spectrum (the spectral width does not exceed 0.1). The dynamics of healthy cell demonstrated multifractal properties, such as a non-linear dependency τ(q) and a bell shaped singularity spectrum (the spectral width over 0.1).
Conclusion: We have proposed a new approach to assess the intracellular structural damage during oncogenesis. The signs of monofractality are objective criteria of malignization. The results obtained seems promising as early diagnostic markers of cancer transformation (damage) of cells and determination of tumor cell sensitivity / resistance to anti-tumor agents in an individual patient.
Актуальность. Модуляционная интерференционная микроскопия – одна из перспективных технологий для проведения ранней персонализированной диагностики онкологических заболеваний, поскольку позволяет в режиме реального времени получать изображение живых функционирующих клеток с нанометровым разрешением, а также проводить оценку пространственно-временной динамики их субклеточных структур.
Цель – выявить маркеры злокачественной трансформации клеток на основе многомасштабного пространственно-временного анализа данных лазерной интерферометрии in situ регистрации динамики субклеточных структур.
Материал и методы. Материалом служили клеточные линии аденокарциномы молочной железы MCF-7 и эпителиальных клеток почки человека HEK 293, предоставленные ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н.Н. Блохина» Минздрава России (Москва). Измерения динамики флуктуаций фазовой толщины живых клеток проводили с помощью лазерного модуляционного интерференционного микроскопа MIM-340 (АО «ПО «УОМЗ», Россия). Для оценки полученных данных использовали алгоритм мультифрактального анализа флуктуаций с исключенным трендом (MF-DFA).
Результаты. При сравнении спектров скейлинговых экспонент и соответствующих им спектров сингулярностей флуктуаций минимального и максимального диаметров фазовых изображений эпителиальных клеток почки культуры HEK 293 и клеток аденокарциномы молочной железы культуры MCF-7 установлено, что динамика раковых клеток обладает ярко выраженными свойствами монофрактала: линейная зависимость скейлинговых экспонент τ от действительного параметра q и «точечный» спектр сингулярностей (ширина спектра не превышает значения 0,1). Динамика нормальных клеток демонстрирует мультифрактальные свойства: нелинейная зависимость τ(q) и колоколообразный спектр сингулярностей (ширина спектра больше значения 0,1).
Заключение. Предложен новый подход к оценке поврежденности субклеточных структур в процессе онкогенеза на основе анализа динамики флуктуаций фазовой толщины живых клеток в реальном времени. Объективными критериями злокачественного перерождения являются признаки монофрактальности. Полученные результаты в дальнейшем могут оказаться перспективными в качестве ранних диагностических маркеров злокачественной трансформации (повреждения) клеток и определения чувствительности/устойчивости клеток опухоли конкретного пациента к противоопухолевым препаратам.