近紅外熒光成像技術(shù)在腎臟手術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)展

張 瑞,任 珍,楊曉峰,閆旭韜

(1.山西醫(yī)科大學(xué),山西太原 030001；2.山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院泌尿外科,山西太原 030001)

近年來,由于超聲、計(jì)算機(jī)斷層掃描(computerized tomography,CT)、磁共振成像(magnetic resonance aging,MRI)等檢查手段的廣泛應(yīng)用,使得人們能夠早期發(fā)現(xiàn)微小的腎臟腫瘤,在實(shí)現(xiàn)早期診斷的同時也對臨床醫(yī)生提出了挑戰(zhàn),如何在術(shù)中準(zhǔn)確定位腎臟腫瘤的部位成為一個亟需解決的問題。另外由于腔鏡、機(jī)器人等機(jī)械設(shè)備的廣泛應(yīng)用,使得術(shù)者在手術(shù)過程中對觸覺的感知下降,主要依據(jù)視覺信息進(jìn)行臨床操作,如何增加組織間的對比,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的術(shù)中操作成為另一個亟需解決的問題[1]。近紅外熒光成像技術(shù)作為一種新的成像方法,在前哨淋巴結(jié)顯影[2]、腫瘤定位[3]、血管顯影[4]等方面已有了廣泛的應(yīng)用。通過靜脈或局部注射近紅外熒光染料,使之聚集在特定部位后,在波長700～900 nm的激發(fā)光的照射下,近紅外熒光染料會發(fā)射出比入射光波長更長的肉眼不可見的熒光,該熒光可被近紅外熒光成像設(shè)備捕捉,通過濾鏡進(jìn)入相機(jī)后經(jīng)數(shù)據(jù)處理將光信號轉(zhuǎn)化為電子信號,最終將信號的強(qiáng)弱用灰度值顯示于屏幕上。由于生物組織對于該波段的光量子吸收最弱,因而近紅外熒光成像具有一定的組織穿透能力。相比于傳統(tǒng)的成像方法,它可以實(shí)現(xiàn)術(shù)中的實(shí)時成像,為術(shù)者提供直觀的視覺引導(dǎo),并且由于組織對于這段波長內(nèi)的光吸收和散射作用均較小,使之具有較強(qiáng)的組織穿透力(1～2 cm),并且無電離輻射等危害[5]。目前,該成像技術(shù)已在腎臟相關(guān)手術(shù)中進(jìn)行了初步應(yīng)用,顯示出了良好的臨床效果,現(xiàn)將當(dāng)前常用的近紅外熒光染料及在腎臟手術(shù)中應(yīng)用作一綜述。

1 近紅外熒光染料

自吲哚菁綠(indocyanine green,ICG)被批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床以來,已有多種近紅外熒光制劑被研制出來,其中主要包括無機(jī)近紅外熒光探針和有機(jī)近紅外熒光染料。近紅外熒光探針主要與納米粒子、光量子點(diǎn)的修飾有關(guān),其中包括的重金屬成分(如鎘、硒)、涂覆材料存在潛在細(xì)胞毒性,這限制了其在臨床上的大規(guī)模應(yīng)用。目前,在臨床上較為常用的近紅外熒光染料包括花菁類染料、酞菁、方酸菁、硼二吡咯甲烷類似物和卟啉衍生物等,通過與特異性靶向抗體、多肽等有機(jī)小分子的結(jié)合,在一定程度上克服了近紅外熒光染料無特異靶向性、水溶性差等缺點(diǎn)。其中,花菁素類和卟啉衍生物的應(yīng)用最為普遍。下面對臨床上在腎臟手術(shù)中應(yīng)用的3種近紅外熒光染料進(jìn)行了總結(jié)。

1.1 ICG目前,ICG為近紅外熒光成像中最常用的近紅外熒光成像染料,其為水溶性物質(zhì),具有陰離子特性和兩親性,相對分子質(zhì)量為776 u[6-7],通過靜脈注射入人體后迅速與血漿蛋白結(jié)合,其激發(fā)光波峰為780 nm,發(fā)射光波長為820 nm,此段波長處于組織自體熒光波長之外,從而可以進(jìn)行近紅外熒光成像。最早于1959年被美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration,FDA)批準(zhǔn)應(yīng)用于視網(wǎng)膜血管造影,由于其具高安全性、不良反應(yīng)發(fā)生率低等優(yōu)點(diǎn),后被廣泛應(yīng)用于心輸出量測定[8]、肝功能測定[9]及視網(wǎng)膜造影[10]等方面。由于近年來近紅外成像設(shè)備的極大發(fā)展,其又被應(yīng)用于淋巴結(jié)顯影[11]、血管造影[12]、重建手術(shù)[13]、膽管造影[14]和腫瘤顯像[15]等方面,并且ICG具有良好的安全性,不良事件發(fā)生率為0.34%[16]。不過由于其非靶向性限制了其進(jìn)一步的臨床應(yīng)用,能夠與ICG耦合的靶向載體的發(fā)展有望克服這個缺點(diǎn)[17]。

1.2 5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid,5-ALA)

5-ALA是原卟啉合成的主要底物,已被FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于腫瘤檢測和腫瘤治療(光動力療法)。其主要通過局部或口服給藥,在體內(nèi)被誘導(dǎo)合成熒光分子原卟啉IX(protoporphyrin IX,PpIX)并聚集于上皮或者腫瘤組織中[18-19],從而實(shí)現(xiàn)近紅外熒光顯像。體內(nèi)pH值可以影響PpIX的熒光強(qiáng)度,在380～440 nm激發(fā)光的激發(fā)下,其在堿性環(huán)境中的發(fā)射峰在620 nm處,在酸性環(huán)境中的發(fā)射峰在634 nm處。目前5-ALA已應(yīng)用于惡性膠質(zhì)瘤[20]、膀胱癌[21]、前列腺癌[22]等腫瘤的近紅外熒光成像,不過由于其價(jià)格較高、使用的不方便性及術(shù)后24 h內(nèi)皮膚敏化的高風(fēng)險(xiǎn)性(患者不應(yīng)暴露于陽光或強(qiáng)人造光下),對其使用提出了挑戰(zhàn)[23]。

1.3 靶向熒光染料近年來,具有靶向特性的近紅外熒光染料被研發(fā)出來。葉酸受體通常在腫瘤細(xì)胞中被上調(diào),所以基于葉酸受體的共軛靶向染料——葉酸異硫氰酸熒光素(folate fluorescein isothiocyanate,Folate-FITC)其激發(fā)光波長為495 nm,發(fā)射光波峰在520 nm處[24],葉酸或葉酸類似物可通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞,進(jìn)入細(xì)胞后,共軛染料仍可保持完整性,因此依舊具有熒光信號[25]。另一種葉酸類似物—EC17已被用于進(jìn)行腎臟腫瘤顯像[26]。此外還有另一種葉酸類似物--OTL38也已被用于腎臟腫瘤的近紅外熒光顯像,并在腎部分切除術(shù)中進(jìn)行了初步研究[27]。

2 近紅外熒光設(shè)備

近年來近紅外熒成像技術(shù)的不斷發(fā)展對近紅外成像設(shè)備的發(fā)展也提出了要求,目前常用的近紅外熒光成像設(shè)備主要由激發(fā)光源、感光相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)3部分組成。由于不同的成像設(shè)備之間使用的激發(fā)光源、濾鏡及相機(jī)的不同,使得不同設(shè)備間的激發(fā)光、感光波長及成像距離都不盡相同,表1總結(jié)了臨床上常用的近紅外熒光成像設(shè)備的特性。

表1 臨床常用的近紅外熒光成像設(shè)備

設(shè)備名稱光源類型激發(fā)波長(nm)感光波長(nm)成像距離(cm)FLARE[28]LED760800～84810～32PDE[29]LED76082020賽恩思(中國)[30]LED76083560SPY[31]激光80683030FDPM[32]激光785825～835<76.2Da Vinci[33]激光806820-腹腔鏡熒光導(dǎo)航系統(tǒng)(KARL STORZ等)[34]氙 ---

3 近紅外熒光在腎臟手術(shù)中的應(yīng)用

近年來,隨著腔鏡技術(shù)的不斷發(fā)展,幾乎所有的腎臟手術(shù)都可以在腔鏡下完成。在實(shí)現(xiàn)治療微創(chuàng)化的同時,也對術(shù)者在術(shù)中如何準(zhǔn)確判斷腫瘤的部位、大小,腎臟的血管解剖及變異,術(shù)后腎臟的血流灌注等情況有了更高的要求。不過腹腔鏡技術(shù)剝奪了術(shù)者對于組織的觸覺感知能力,為了實(shí)現(xiàn)術(shù)中的準(zhǔn)確判斷,更好地引導(dǎo)術(shù)者完成手術(shù),就需要在術(shù)中為術(shù)者提供更多的視覺信息。在這種情況下,近紅外熒光成像技術(shù)已逐步應(yīng)用于腎臟手術(shù)中,目前主要應(yīng)用于以下3個方面。

3.1 腎臟腫瘤定位腎部分切除術(shù)現(xiàn)在是治療腎臟小腫瘤的首選手術(shù)方法,因?yàn)樗梢员ＷC在腫瘤完整切除的情況下盡可能地保留腎單位,并且與傳統(tǒng)的腎臟完全切除相比,術(shù)后不良反應(yīng)的發(fā)生率低。不過術(shù)中的操作主要依據(jù)于外科醫(yī)生對腫瘤邊緣的識別能力,如何保證腫瘤周圍的陰性切緣而不過度切除正常的實(shí)質(zhì),以及保持較短的缺血時間,特別是近年來腔鏡、機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,在術(shù)中術(shù)者缺乏觸覺的反饋,使得醫(yī)生更加依靠視覺信息。在這種情況下,近紅外熒光成像技術(shù)受到越來越多的人的關(guān)注。

CORNEJO等[35]評估了在達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)中應(yīng)用近紅外熒光染料ICG的療效,實(shí)驗(yàn)對象為1例右側(cè)腎腫瘤的女性,患者術(shù)中的右腎熱缺血時間為22 min,術(shù)后病理證實(shí)手術(shù)切緣為陰性且無并發(fā)癥發(fā)生,近紅外熒光成像引導(dǎo)下的機(jī)器人輔助腎部分切除術(shù)可提高手術(shù)的療效和術(shù)后腎臟功能的恢復(fù)。由于葉酸受體的含量在正常腎臟組織比在腎臟腫瘤組織高,SHUM等[36]應(yīng)用具有葉酸受體靶向性的熒光物質(zhì)OTL38進(jìn)行了近紅外熒光引導(dǎo)下的腹腔鏡腎部分切除術(shù),術(shù)中可以清晰看到正常腎臟組織為明亮的熒光,而腫瘤組織的熒光很暗,在熒光信號的引導(dǎo)下進(jìn)行了腎部分切除術(shù),術(shù)后病理證明所有腫瘤的切緣均為陰性。近紅外熒光染料ICG的使用被認(rèn)為是安全的,但是WILLIAM等[37]報(bào)道了第1例在機(jī)器人腎部分切除術(shù)中靜脈注射ICG導(dǎo)致的過敏性休克的案例。

然而,由于熒光信號的穿透深度是有限的,無法實(shí)現(xiàn)較深腫瘤的成像,因此MARLENE等[38]將近紅外熒光染料與發(fā)射性核素偶聯(lián)后,再與吉妥昔單抗連接,實(shí)現(xiàn)了放射性核素與近紅外熒光的同時顯像,并具有了腫瘤靶向性,不過這項(xiàng)研究是在離體腎臟腫瘤組織中進(jìn)行的,仍需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

3.2 腎臟動脈顯影CASEY等[39]在2012年第1次報(bào)道了在機(jī)器人腹腔鏡下進(jìn)行腎動脈選擇性阻斷的腎部分切除手術(shù),這在最大程度上減小了對腎功能的損害。術(shù)中對腎動脈進(jìn)行可視化顯像可以實(shí)現(xiàn)腎動脈的選擇性或者完全性阻斷,這種顯像技術(shù)的有效性在多項(xiàng)研究中有報(bào)道[40]。

CECILIA等[41]在30例行超選擇性機(jī)器人輔助腎部分切除術(shù)的患者中應(yīng)用近紅外熒光成像技術(shù)對腎動脈進(jìn)行了顯影,并進(jìn)行了腎動脈的超選擇性阻斷和前瞻性配對分析。其中23例患者成功實(shí)現(xiàn)了腎動脈的超選擇性阻斷,5例患者由于腫瘤顯示熒光而進(jìn)行了二次選擇性動脈阻斷,配對分析結(jié)果顯示,在手術(shù)時間、出血量、腫瘤邊緣陽性率及并發(fā)癥等方面超選擇性阻斷并無明顯優(yōu)勢,但對術(shù)后腎功能的恢復(fù)有很大的作用。吳震杰等[42]在12例腎腫瘤患者中探討了區(qū)域血流近紅外熒光可視化成像技術(shù)在腎動脈分支阻斷中的應(yīng)用價(jià)值,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于ICG的近紅外熒光成像技術(shù)可以使得在機(jī)器人腎部分切除術(shù)中清晰、直觀的顯示腎動脈,提高腎動脈分支的阻斷效果。

3.3 腎臟移植血流重建在腎移植中,評估腎血管重建后的血流灌注情況,尤其是多動脈腎臟移植后的血流灌注情況是很有價(jià)值的。目前常用的血流灌注評價(jià)的方法為多普勒超聲,但是其檢測范圍有限,術(shù)中操作不便[43]。而近紅外熒光技術(shù)可以實(shí)時、多角度的顯示整個移植腎臟的灌注情況,并清楚地顯示腎血管的吻合情況。

TOKIHIKO等[44]在8例實(shí)行腎臟移植的終末期腎病患者中應(yīng)用了近紅外熒光顯像技術(shù),通過靜脈注射10 mL ICG溶液后,2 min后可以清晰地看到吻合后的腎動脈是否通暢及腎臟的灌注情況,腎臟的熒光信號強(qiáng)度與灌注情況成正相關(guān)性,移植的腎臟如果熒光較弱提示灌注不好,需要重新進(jìn)行血管吻合。同樣,BONI 等[45]在腹腔鏡下用自體腎移植治療腎動脈瘤(1例)的手術(shù)中,通過靜脈注射ICG溶液5 mL,然后根據(jù)術(shù)中的熒光情況對腎動脈的吻合及腎臟的灌注情況進(jìn)行了判斷,術(shù)中可以清晰地觀察到腎臟的熒光信號,從而判斷其灌注良好。

4 總 結(jié)

近年來,隨著近紅外熒光成像技術(shù)的不斷發(fā)展,其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛,整形外科[4]、心胸外科[46]、腺體外科[47]等均有了相關(guān)報(bào)道。2013年歐盟分子影像協(xié)會成立了“近紅外熒光成像術(shù)中導(dǎo)航研究小組”,有關(guān)近紅外熒光的臨床應(yīng)用已成為一個新的研究熱點(diǎn)[48]。本文主要總結(jié)了目前腎臟手術(shù)中常用的近紅外熒光染料及近紅外熒光成像技術(shù)在腎臟手術(shù)中的應(yīng)用。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)表明,近紅外熒光成像技術(shù)可以顯著提高手術(shù)操作的精準(zhǔn)性,具有廣闊的應(yīng)用前景,但仍需大量的臨床數(shù)據(jù)的進(jìn)一步證明。目前我們應(yīng)該注意到限制其進(jìn)一步臨床應(yīng)用的問題為近紅外熒光染料多數(shù)不具有靶向性、水溶性差、光漂白嚴(yán)重,不能進(jìn)行長時間的影像檢測,且部分價(jià)格昂貴、術(shù)中分辨率低等。而目前常用的MRI、CT、PET-CT具有較高的圖像分辨率和靈敏性,已有相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明將近紅外熒光成像技術(shù)與傳統(tǒng)成像方法結(jié)合后,可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的成像效果。此外目前的近紅外成像方法無法實(shí)現(xiàn)近紅外信號的定量測定,只能進(jìn)行定性或者半定量的觀察,不能實(shí)現(xiàn)精確的術(shù)中判斷。因此進(jìn)一步發(fā)展具有靶向性、低價(jià)格、高量子產(chǎn)率的近紅外熒光染料,并與其他成像方式相結(jié)合,將進(jìn)一步促進(jìn)其在臨床中的應(yīng)用。