Label-free, two-photon imaging captures morphological and functional metabolic tissue changes and enables enhanced understanding of numerous diseases. However, this modality suffers from low signal arising from limitations imposed by the maximum permissible dose of illumination and the need for rapid image acquisition to avoid motion artifacts. Recently, deep learning methods have been developed to facilitate the extraction of quantitative information from such images. Here, we employ deep neural architectures in the synthesis of a multiscale denoising algorithm optimized for restoring metrics of metabolic activity from low-SNR, two-photon images. Two-photon excited fluorescence (TPEF) images of reduced nicotinamide adenine dinucleotide (phosphate) (NAD(P)H) and flavoproteins (FAD) from freshly excised human cervical tissues are used. We assess the impact of the specific denoising model, loss function, data transformation, and training dataset on established metrics of image restoration when comparing denoised single frame images with corresponding six frame averages, considered as the ground truth. We further assess the restoration accuracy of six metrics of metabolic function from the denoised images relative to ground truth images. Using a novel algorithm based on deep denoising in the wavelet transform domain, we demonstrate optimal recovery of metabolic function metrics. Our results highlight the promise of denoising algorithms to recover diagnostically useful information from low SNR label-free two-photon images and their potential importance in the clinical translation of such imaging.

Abstract Purpose Two-photon microscopy (2PM) is an emerging clinical imaging modality with the potential to non-invasively assess tissue metabolism and morphology in high-resolution. This study aimed to assess the translational potential of 2PM for improved detection of high-grade cervical precancerous lesions. Experimental Design 2P images attributed to reduced nicotinamide adenine dinucleotide (phosphate) (NAD(P)H) and oxidized flavoproteins (FP) were acquired from the full epithelial thickness of freshly excised human cervical tissue biopsies (N = 62). Fifteen biopsies harbored high-grade squamous intraepithelial lesions (HSILs), 14 biopsies harbored low-grade SILs (LSILs), and 33 biopsies were benign. Quadratic discriminant analysis (QDA) leveraged morphological and metabolic functional metrics extracted from these images to predict the presence of HSILs. We performed gene set enrichment analysis (GSEA) using datasets available on the Gene Expression Omnibus (GEO) to validate the presence of metabolic reprogramming in HSILs. Results Integrating metabolic and morphological 2P-derived metrics from finely sampled, full-thickness epithelia achieved a high 90.8 ± 6.1% sensitivity and 72.3 ± 11.3% specificity of HSIL detection. Notably, sensitivity (91.4 ± 12.0%) and specificity (77.5 ± 12.6%) were maintained when utilizing metrics from only two images at 12- and 72-µm from the tissue surface. Upregulation of glycolysis, fatty acid metabolism, and oxidative phosphorylation in HSIL tissues validated the metabolic reprogramming captured by 2P biomarkers. Conclusion Label-free 2P images from as few as two epithelial depths enable rapid and robust HSIL detection through the quantitative characterization of metabolic and morphological reprogramming, underscoring the potential of this tool for clinical evaluation of cervical precancers. Translational Relevance Statement The colposcopy and biopsy paradigm for cervical pre-cancer detection leads to an excessive number of unnecessary biopsies, with significant economic and psychological costs. This study highlights the potential of label-free, high-resolution two photon imaging to improve this paradigm by introducing real-time morphofunctional tissue assessments. In an extensive dataset comprising freshly excised high-grade and low-grade cervical intraepithelial lesions, along with benign metaplastic and inflamed human cervical tissue biopsies, we successfully characterize a loss of morphofunctional heterogeneity indicative of high-grade precancerous changes. Leveraging a combination of two-photon imaging-derived quantitative morphofunctional metrics, our findings showcase a substantial improvement in both sensitivity and specificity of high-grade lesion detection compared to the current gold standard of colposcopy followed by a single biopsy. The demonstrated enhancement in sensitivity and specificity highlights the prospect of integrating non-invasive, label-free metabolic imaging into clinical practice, offering a more effective and efficient approach to identify and manage cervical precancerous lesions.

e15073 Background: Integrin αv has been implicated in a stem-phenotype of breast cancer (1) and is cross-regulated by fibronectin-binding integrin α5β1 in tumor cells (2). We hypothesized that these integrins are expressed in TNBC cells and dual targeting of αv and α5β1 integrins by a bispecific antibody (BsAbαv/α5β1) will be superior to monospecific integrin antibodies (MsAbs) alone or in combination. Methods: A representative panel of basal-subtype TNBC lines was assembled: MDA-MB-231 (P53 mutated, KRAS mutated), MDA-MB-468 (P53 mutated, PTEN deleted, EGFR amplified) and BT-20 (P53 and PIK3CA mutated, EGFR amplified). Integrin expression was determined by flow cytometry and Western blot in cell lines and by IHC in the residual cancer burden (RCB) of TNBC specimens following neoadjuvant chemotherapy (positive: >2+ membranous, >10% cells). The impact of MsAbs targeting αv and α5β1 integrins alone or in combination versus the BsAbαv/α5β1 was assessed in adhesion, migration, and clonogenic survival. The impact of integrin blockade on nuclear localization of basal markers including FAK, YAP, EGFR and beta-catenin, was assessed. Results: Robust integrin αv expression was present in all TNBC lines with variable α5β1 expression. Marked reduction in α5 and in αv expression following BsAbαv/α5β1 was uniquely demonstrated by Western blot and/or flow cytometry compared to MsAbs, likely due to endosomal trafficking and lysosomal degradation of target integrins as reported previously (Joshi, MCR. 2020). Combined α5 and αv neutralization with MsAbs was superior to individual single agents in blocking adhesion and migration across all TNBC lines studied. However, the BsAbα5β1/αv was superior to combinatorial MsAbs in MDA-MB-468 and BT-20 lines in chemotaxis assays. A significant (>50%) reduction in clonogenic cell survival was noted with the BsAbα5β1/αv compared to MsAbs. BsAbαv/α5β1 blocked nuclear localization of FAK, EGFR, activated beta-catenin, and YAP in MDA-MB-231 uniquely compared to MsAbs alone or in combination. RCB tumor cells were strongly positive for membranous αv [7/9, (78%)]. Diffuse expression of integrin α5 (67%) in alpha smooth-muscle actin-expressing fibroblasts with dual staining for integrin αv was found. Marked CD68+ macrophage and CD3+ infiltration was seen in tumor and stroma of all RCB tumors. Conclusions: Combinatorial α5 and αv integrin targeting with BsAbα5/αvβ1 defines a novel therapeutic strategy with a distinct mechanism of action for further investigation in TNBC. Enrichment of integrins αv and α5 in the inflamed RCB of TNBC tumors and stroma respectively point to a potential role of these integrins in epithelial-stromal interactions and therapeutic resistance. 1. Desgrosellier, Dev Cell. 2014. 2. Joshi, MCR. 2020.