Correlation of OCT-Based Radiomic Signatures With Dose-Associated Radiation Response in Tumor Spheroids

Resumo Técnico: Correlação de Assinaturas Radiômicas Baseadas em OCT com a Resposta à Radiação Associada à Dose em Esferoides Tumorais

Definição do Problema
Esferoides tumorais tridimensionais servem como uma ponte crítica entre culturas celulares 2D e tecidos in vivo para estudos de radiobiologia, reproduzindo com precisão as interações célula-célula e os gradientes impulsionados pela difusão (ex: oxigênio, nutrientes) que influenciam a resposta à radioterapia. No entanto, existe uma lacuna significativa em leituras escaláveis e reprodutíveis para quantificar a resposta à radiação dependente da dose. A microscopia de campo claro (BF) convencional fornece apenas projeções 2D, falhando em resolver estruturas internas 3D ou mudanças dependentes da profundidade. A microscopia de fluorescência, embora específica, frequentemente requer sondas exógenas que podem perturbar amostras vivas e é frequentemente limitada a medições de ponto final (endpoint). A microscopia confocal oferece seccionamento óptico, mas é intensiva em tempo e sofre perda de sinal em amostras espessas. Consequentemente, há uma necessidade de um método sem marcação (label-free), não destrutivo e de alto rendimento capaz de capturar as alterações complexas, tridimensionais e dinâmicas induzidas pela irradiação.

Metodologia
Este estudo in vitro transversal utilizou esferoides de carcinoma de células escamosas da língua humana (SAS) semeados em duas densidades (5.000 e 10.000 células) e irradiados com doses variando de 0 a 12 Gy. A imagem foi realizada nos dias 1, 4, 6, 8 e 11 pós-irradiação.

• Modalidades de Imagem:
  • Campo Claro (Brightfield): Utilizado para medir métricas morfológicas 2D (diâmetro e área projetada) manualmente via ImageJ para servir como linha de base.
  • Tomografia de Coerência Óptica (OCT): Um sistema de OCT de domínio espectral (comprimento de onda central de 880 nm) adquiriu dados volumétricos com resolução de profundidade. Cada aquisição gerou dois volumes co-registrados: um volume de intensidade estrutural e um volume de variância de speckle (SV). O volume SV foi computado a partir de 20 quadros de B-scan repetidos para capturar flutuações temporais de intensidade relacionadas à dinâmica celular e atividade do microambiente.
• Pipeline Radiômica:
  • Segmentação: Os volumes de OCT foram recortados e mascarados usando limiarização de Otsu e operações morfológicas para isolar o tecido do esferoide.
  • Extração de Características: Utilizando Radiomics.jl, características foram extraídas de volumes de intensidade e SV, incluindo forma (apenas da intensidade), estatísticas de primeira ordem e descritores de textura (GLCM, GLRLM, GLSZM, GLDM).
  • Filtragem de Robustez: Um experimento de repetibilidade (seis varreduras de um único esferoide) foi usado para filtrar características com uma razão de intervalo interquartil para a mediana (IQR/mediana) superior a 35%, removendo 24 das 198 características iniciais.
  • Seleção de Características: As características passaram por poda de correlação (Spearman $|\rho| \ge 0,95$) e classificação de conjunto baseada em importância de permutação e escores univariados. A seleção foi realizada independentemente para os conjuntos de características "Apenas OCT" e "Combinado OCT+BF" para garantir uma comparação justa.
• Modelagem: Cinco modelos de regressão (Random Forest, Extra Trees, SVR, LightGBM, XGBoost) foram treinados para prever a dose de irradiação. O desempenho foi avaliado usando validação cruzada k-fold repetida, comparando conjuntos de características de BF-apenas, OCT-apenas e conjuntos combinados.

Principais Contribuições

1. Validação da Radiômica de OCT: O estudo demonstra que características radiômicas derivadas de OCT (intensidade estrutural e variância de speckle) podem prever quantitativamente a dose de radiação em esferoides com maior precisão do que a morfologia convencional de campo claro.
2. Leitura de Alto Rendimento e Sem Marcação: Estabelece um pipeline que não requer sondas exógenas ou amostragem destrutiva, permitindo a avaliação longitudinal da resposta ao esferoide.
3. Utilidade da Variância de Speckle: O trabalho destaca o valor do contraste de variância de speckle, mostrando que as flutuações temporais nos sinais de OCT fornecem informações complementares à imagem estrutural em relação à heterogeneidade induzida pelo tratamento.
4. Análise de Reprodutibilidade: O estudo fornece evidência empírica de que as características radiômicas selecionadas exibem baixa variabilidade entre aquisições repetidas, confirmando que a variabilidade observada no nível da coorte reflete diferenças biológicas e não ruído de medição.

Resultos

• Comparação de Desempenho: Modelos de apenas OCT superaram consistentemente a linha de base de campo claro em todos os regressores. O $R^2$ mediano para modelos de apenas OCT variou de 0,77 a 0,85, comparado a 0,61 a 0,69 para modelos de apenas BF ($p < 0,001$ para todas as comparações).
• Impacto da Fusão Multimodal: Adicionar características de campo claro não gerou um benefício consistente de desempenho para os modelos de OCT + BF. Os modelos combinados alcançaram valores medianos de $R^2$ de 0,80 a 0,84. A melhoria sobre o modelo de apenas OCT foi estatisticamente significativa apenas para o modelo Random Forest ($p = 0,026$) com baixo poder (0,62), e não significativa para todos os outros modelos. Notavelmente, para o LightGBM, o modelo de apenas OCT alcançou um $R^2$ mediano (0,85) ligeiramente superior ao modelo combinado (0,84).
• Robustez das Características: Quatro características principais (Área de Campo Claro, Intensity GLRLM GrayLevelNonUniformity, Sfericidade de Forma e Variance GLDM GrayLevelNonUniformity) foram consistentemente classificadas como altas. Testes de repetibilidade mostraram baixa dispersão relativa (IQR/mediana = 0,032–0,047) em seis varreduras repetidas, enquanto a variabilidade da coorte foi ordens de magnitude maior, confirmando o poder discriminativo das características.
• Correlação Visual: A análise qualitativa das projeções en face de OCT revelou que doses mais altas (8–12 Gy) induziram maior irregularidade de borda e uma mudança de padrões de SV suaves e concêntricos para distribuições heterogêneas e fragmentadas, que foram capturadas pelas características de textura selecionadas.

Significância e Alegações
O artigo alega que a radiômica de OCT fornece uma leitura sensível, reprodutível e de alto rendimento e sem marcação para avaliar a resposta à dose de radiação em esferoides. Uma conclusão primária é que a análise de apenas OCT supera a morfologia atual baseada em campo claro, sugerindo que as informações estruturais e dinâmicas com resolução de profundidade codificam sinais substanciais relacionados à dose que as projeções 2D perdem.

Os autores afirmam modestamente que, embora um pequeno conjunto de preditores compartilhados combinando a dinâmica de tamanho de campo claro com características de textura e forma de OCT tenha emergido, a adição de dados de campo claro geralmente não oferece benefício prático consistente sobre o OCT sozinho. Isso apoia a viabilidade de um pipeline de apenas OCT, eliminando a necessidade de aquisição simultânea de campo claro ou anotação manual. O estudo reconhece limitações, incluindo o uso de uma única linhagem celular, um design transversal (impedindo o rastreamento longitudinal real dentro do esferoide) e a natureza indireta da correlação de dose como um substituto para desfechos biológicos. Os autores sugerem que trabalhos futuros devem focar em permitir a aquisição longitudinal real de OCT, validar através de diversas linhagens celulares e vincular assinaturas radiômicas a desfechos biológicos ortogonais.