近紅外熒光成像技術(shù)在外科手術(shù)中的研究進(jìn)展

劉丹丹 羅林 綜述 崔永言 審校

近年來，現(xiàn)代外科技術(shù)迅速發(fā)展，各種高科技設(shè)備可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)病灶定位、病情評(píng)估及病情變化監(jiān)測(cè)。隨著分子影像學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，近紅外熒光（near-infrared fluorescence，NIRF）成像技術(shù)在術(shù)中導(dǎo)航領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。隨著技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，已逐漸應(yīng)用于多個(gè)外科領(lǐng)域。本文就NIRF成像技術(shù)的臨床應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 NIRF的基本原理

NIRF成像技術(shù)主要由熒光探針和成像系統(tǒng)組成。首先通過靜脈或局部注射熒光染料，再運(yùn)用發(fā)光二極管或激光設(shè)備將該染料激發(fā)，成像系統(tǒng)捕捉其產(chǎn)生的發(fā)射光，并通過高級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)形成實(shí)時(shí)圖像［1］。NIRF成像技術(shù)應(yīng)用的熒光波長(zhǎng)為650 nm～900 nm，該波段與可見光相比具有諸多成像優(yōu)勢(shì)。首先，它在生物組織中吸收率低，散射率低，因而具有更深的組織穿透力，顯著增加成像深度。并且生物組織在該波段自體熒光較少，因而成像具有較高的信噪比和靈敏度［2］。同時(shí)，由于NIRF為不可見光，不會(huì)干擾手術(shù)視野，有助于其在術(shù)中應(yīng)用［3］?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，NIRF成像可以實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)導(dǎo)航，顯示未能直接暴露于表面的解剖結(jié)構(gòu)，如血管、淋巴管、肝外膽管等。此外，應(yīng)用熒光染料能夠幫助識(shí)別腫瘤組織，在術(shù)中實(shí)時(shí)引導(dǎo)腫瘤切除。

1.1 NIRF探針

選擇合適的熒光探針是NIRF成像技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。目前用于顯像的熒光探針主要分為3類：非靶向探針、靶向探針、智能探針。非靶向探針主要由于病變組織和正常組織的灌注及血管通透性不同，從而非特異地累積在病變部位，如吲哚菁綠（indocyanine green，ICG）［4］。靶向探針通常由特異性配體偶聯(lián)NIRF 基團(tuán)構(gòu)成，能夠特異性識(shí)別靶組織［5］。智能探針在原始狀態(tài)基本不產(chǎn)生熒光信號(hào)，通過一定的機(jī)制激活，則可轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚誀顟B(tài)產(chǎn)生熒光［6］。由于腫瘤的異質(zhì)性，選擇合適的靶向配體至關(guān)重要。目前已有多種靶向配體獲得批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床，如貝伐珠單抗（抗血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A）、西妥昔單抗（抗表皮生長(zhǎng)因子受體）等。將這些配體與NIRF載體相結(jié)合，在腫瘤成像方面將更為精確［7］。

目前雖然有諸多臨床前研究對(duì)大量熒光探針進(jìn)行了評(píng)估，但僅有IRDye 800CW 和ZW800-1 兩種熒光分子正在進(jìn)行臨床試驗(yàn)，有望盡早完成臨床轉(zhuǎn)化。這兩種化合物不僅可以與多種配體相結(jié)合，還可以用于輸尿管和膽管的顯像，具有極大的應(yīng)用前景［1，8］。但臨床轉(zhuǎn)化所需的成本，應(yīng)用的安全性及監(jiān)管難度均限制了靶向探針及智能探針的臨床應(yīng)用［9］。

目前僅有非靶向探針-ICG被美國(guó)食品和藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床［10］。當(dāng)ICG 受到激發(fā)后可以實(shí)現(xiàn)術(shù)中淺表血管和淋巴管的可視化顯像。還可以借助實(shí)體瘤的高通透性和滯留效應(yīng)（enhanced permeability and retention effect，EPR），聚集于腫瘤組織，實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)顯像，指導(dǎo)腫瘤切除［4，11］。目前，ICG熒光成像已經(jīng)廣泛應(yīng)用于前哨淋巴結(jié)定位，腫瘤切除實(shí)時(shí)引導(dǎo)等多個(gè)領(lǐng)域。

1.2 NIRF成像系統(tǒng)

NIRF術(shù)中實(shí)時(shí)顯像依賴于各種成像系統(tǒng)，不同的成像系統(tǒng)在發(fā)射光源、激發(fā)波長(zhǎng)、工作距離等多方面有所不同。理想的成像系統(tǒng)能夠快速成像并且具備高信噪比，從而實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)術(shù)中情況。目前成像系統(tǒng)主要分為3類：便攜型成像系統(tǒng)、功能型成像系統(tǒng)以及內(nèi)鏡和腔鏡下成像系統(tǒng)［2］。

2 臨床應(yīng)用

2.1 腫瘤切除實(shí)時(shí)引導(dǎo)

在腫瘤外科手術(shù)中，準(zhǔn)確識(shí)別并完全切除腫瘤組織，盡可能保留健康組織，以及準(zhǔn)確鑒別轉(zhuǎn)移的淋巴結(jié)是影響腫瘤預(yù)后的重要因素?，F(xiàn)階段，術(shù)中尋找腫瘤邊界主要依賴于肉眼觀察和觸摸。對(duì)腫瘤組織的判斷易出現(xiàn)偏差；對(duì)于浸潤(rùn)性生長(zhǎng)的腫瘤及微小轉(zhuǎn)移灶更加難以識(shí)別，這也是造成術(shù)后復(fù)發(fā)的因素之一。上述問題都亟待精確的術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)來解決。NIRF成像系統(tǒng)在術(shù)中利用腫瘤組織和正常組織的熒光成像差異，清晰顯示腫瘤組織邊緣和微小轉(zhuǎn)移灶，以幫助外科醫(yī)生進(jìn)行術(shù)中決策。

應(yīng)用NIRF實(shí)時(shí)指導(dǎo)外科手術(shù)可以提高病灶檢出率。盡管靶向探針和智能探針能夠與腫瘤組織特異性地結(jié)合，準(zhǔn)確顯示腫瘤邊界。但是上述兩種探針均尚未直接應(yīng)用于臨床。臨床上主要應(yīng)用已獲批準(zhǔn)的ICG作為熒光探針。對(duì)于大多數(shù)實(shí)體腫瘤，ICG可以非特異地在腫瘤組織中累積。這種累積主要源自灌注差異和EPR效應(yīng)。靜脈或局部注射ICG后，其與大分子血清蛋白結(jié)合后在血液中運(yùn)行，腫瘤組織血運(yùn)較正常組織更為豐富，存在的灌注差異使腫瘤與背景產(chǎn)生對(duì)比信號(hào)。此外，腫瘤組織內(nèi)的血管壁間隙較寬，結(jié)構(gòu)完整性差，且淋巴回流缺失，大分子物質(zhì)可以透出血管進(jìn)入腫瘤組織并積聚，這種積聚效應(yīng)被稱為實(shí)體瘤的EPR效應(yīng)，ICG可以被動(dòng)的累積于腫瘤組織，從而使腫瘤組織顯像［4，12］。

Ishizawa 等［13］首次成功應(yīng)用NIRF 對(duì)結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移灶及肝細(xì)胞肝癌進(jìn)行顯像。術(shù)中發(fā)現(xiàn)的91處腫瘤中，有8處是肉眼無法識(shí)別的微小灶。該研究證明了NIRF成像可以發(fā)現(xiàn)此前肉眼難以識(shí)別的微小腫瘤組織。Uchiyama 等［14］進(jìn)一步證明，NIRF 還可以發(fā)現(xiàn)術(shù)前CT 或MRI 忽略的微小病灶，從而影響外科醫(yī)生決策。

上述研究中未被發(fā)現(xiàn)的病灶距離肝表面的距離均＜8 mm。NIRF 能夠提高肝臟淺表病灶檢出率，而這些病灶同時(shí)也是術(shù)中超聲最易忽視的。Handgraaf等［15］將NIRF 與傳統(tǒng)方法如觸摸或術(shù)中超聲相比較，可以發(fā)現(xiàn)更小的轉(zhuǎn)移灶［（3.2±1.8）mm vs.（7.4±2.6）mm，P＜0.001］，從而防止腫瘤復(fù)發(fā)。盡管NIRF 成像的補(bǔ)充使用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)在檢測(cè)包膜下肝臟病變方面的困難，但仍需要術(shù)中超聲檢查以發(fā)現(xiàn)深處的腫瘤。Peloso 等［16］嘗試術(shù)中聯(lián)合應(yīng)用超聲和NIRF，成功地提高了微小病灶（＜3 mm）的檢出率。

在內(nèi)鏡及腔鏡系統(tǒng)下，NIRF 成像也得以運(yùn)用。Boogerd等［17］在腔鏡中應(yīng)用ICG對(duì)多種類型肝臟腫瘤進(jìn)行近紅外光顯像，并將其與傳統(tǒng)檢測(cè)手段如超聲、CT、MRI 等相比較，NIRF 檢測(cè)靈敏度高達(dá)92%，且當(dāng)將術(shù)中超聲與NIRF 兩者聯(lián)合應(yīng)用時(shí)，靈敏度可達(dá)100%。未來，光聲成像的發(fā)展可能會(huì)在術(shù)中超聲圖像上同時(shí)可視化癌組織中的熒光探針，從而使術(shù)中導(dǎo)航更為便捷，準(zhǔn)確性更高［18-19］。

除識(shí)別微小灶外，NIRF 還可有效識(shí)別腫瘤切緣。NIRF是目前術(shù)中實(shí)時(shí)識(shí)別腫瘤切緣最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。在Keating 等［20］的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，NIRF組檢出了90%的陽性切緣，而對(duì)照組僅檢出30%。在臨床試驗(yàn)中，盡管病理結(jié)果顯示所有的患者切緣均為陰性，但是有2例患者腫瘤陽性切緣與外科切緣相當(dāng)接近，在其中1 例導(dǎo)管內(nèi)癌患者中兩者距離在1 mm以內(nèi)，NIRF成像顯示其切除創(chuàng)面的殘余熒光信號(hào)背景比分別為2.91 和3.29（＞1.5 即視為具有殘余腫瘤）。因此NIRF 成像在術(shù)中腫瘤切緣的決策方面或存在指導(dǎo)意義。盡管ICG 熒光成像在腫瘤切除實(shí)時(shí)引導(dǎo)方面非常具有前景，但是其存在的問題也不可忽視。由于ICG是非靶向探針，因而在一些腫瘤中應(yīng)用效果不佳。Tummers等［21］應(yīng)用NIRF進(jìn)行卵巢癌轉(zhuǎn)移灶的檢測(cè)，假陰性率高達(dá)62%，良惡性組織間的腫瘤背景比無顯著差異。

2.2 前哨淋巴結(jié)定位

臨床上常規(guī)采取單獨(dú)或聯(lián)合應(yīng)用放射性核素和生物藍(lán)色染料如亞甲藍(lán)、異硫藍(lán)來進(jìn)行淋巴結(jié)成像。盡管亞甲藍(lán)的使用簡(jiǎn)單方便，但它會(huì)對(duì)手術(shù)視野產(chǎn)生干擾［22］。而放射性核素顯像操作過程復(fù)雜，還會(huì)對(duì)正常組織產(chǎn)生放射性損害。相比之下，NIRF有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

van der Vorst 等［23］在黑色素瘤的患者中，應(yīng)用NIRF 成像及常規(guī)方法如藍(lán)染法和99mTc 對(duì)前哨淋巴結(jié)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)核素顯像和NIRF 成像的檢出率均為100%，而藍(lán)染法僅為73%。Samorani等［24］在301例乳腺癌患者中應(yīng)用近紅外熒光造影與99mTc核素顯像檢測(cè)前哨淋巴結(jié)，在總檢出的589 枚淋巴結(jié)中，NIRF的檢出率高達(dá)99%，然而核素顯像的檢出率僅為77%；隨后的病理活檢發(fā)現(xiàn)70枚轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)，均未被核素顯像識(shí)別，而NIRF 成像識(shí)別率為21%。該研究認(rèn)為ICG熒光成像能夠成為99mTc核素顯像的替代方法。Emile等［25］通過回顧性分析248例大腸癌患者在內(nèi)的十二項(xiàng)研究，NIRF 的合并敏感度和特異度分別為71%和84.6%，是具有潛力的術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)。Kinami 等［26］在早期胃癌患者手術(shù)中應(yīng)用NIRF 成像識(shí)別前哨淋巴結(jié)，發(fā)現(xiàn)其靈敏性、特異性及準(zhǔn)確性分別高達(dá)90.1%、100%、98.6%。有研究證明NIRF 成像還可用于評(píng)估肺癌或其他惡性腫瘤在胸腔內(nèi)的擴(kuò)散［2］。

目前，NIRF 實(shí)時(shí)引導(dǎo)前哨淋巴結(jié)成像已經(jīng)廣泛應(yīng)用于乳腺癌［27］、黑色素瘤［28］、結(jié)直腸癌［29］、子宮內(nèi)膜癌［30］等多種腫瘤中。

2.3 保護(hù)正常解剖結(jié)構(gòu)

在外科手術(shù)中，保護(hù)正常解剖結(jié)構(gòu)，避免醫(yī)源性損傷極為重要。NIRF 成像可以實(shí)時(shí)顯示膽道系統(tǒng)，輸尿管等重要解剖結(jié)構(gòu)。盡管術(shù)中膽道及輸尿管的損傷并不多見，但一旦發(fā)生便會(huì)引起嚴(yán)重的并發(fā)癥。ICG由肝臟細(xì)胞攝入經(jīng)由膽管分泌，應(yīng)用該染料進(jìn)行近紅外熒光膽道造影（fluorescence cholangiography，F(xiàn)C）能安全、實(shí)時(shí)地顯示膽道系統(tǒng)全貌，避免膽道系統(tǒng)損傷［31］。與術(shù)中經(jīng)膽囊管膽道造影（intraoperative cholangiography，IOC）相比，F(xiàn)C 對(duì)重要結(jié)構(gòu)具有更高的敏感度［32］。有研究表明在膽囊腺癌機(jī)器人根治性切除術(shù)中，在NIRF的輔助下，在靠近膽總管交界處進(jìn)行高位膽囊管結(jié)扎術(shù)，所有患者均實(shí)現(xiàn)了陰性切緣。在復(fù)雜的再探索性膽道手術(shù)中表現(xiàn)極佳，術(shù)后30天未見重大并發(fā)癥［33］。

3 臨床應(yīng)用局限性

在臨床的應(yīng)用過程中，由于ICG 是非靶向探針，它的累積不僅局限于癌組織，還可能少量積聚在炎癥組織及創(chuàng)傷區(qū)域，在EPR 效應(yīng)的初期階段使得特異性降低。由于腫瘤組織淋巴引流結(jié)構(gòu)的缺失，在腫瘤組織中的滯留率仍遠(yuǎn)大于炎癥組織［34-35］。除此之外，與可見光一樣，NIRF在活體組織中會(huì)因?yàn)槲蘸蜕⑸涠鴾p弱。因此探測(cè)深度有限，對(duì)于穿透深度＜1 cm，位置較深的腫瘤，NIRF難以對(duì)其進(jìn)行顯像。在術(shù)中導(dǎo)航的應(yīng)用中，也僅能推斷出定性信息，評(píng)價(jià)熒光信號(hào)具有主觀性，盡管校正后可提供定量測(cè)量，但相關(guān)研究仍處于初級(jí)階段［36］。目前經(jīng)臨床批準(zhǔn)的靶向探針仍然缺乏，在術(shù)中導(dǎo)航、實(shí)時(shí)引導(dǎo)腫瘤成像的精確性方面尚有待提高。

4 結(jié)語

應(yīng)用ICG 進(jìn)行NIRF 成像，不僅能夠?qū)崟r(shí)顯示如膽管、血管、輸尿管等重要解剖結(jié)構(gòu)，避免醫(yī)源性損傷，還能通過ICG或靶向探針、智能探針使腫瘤顯像，同時(shí)將NIRF 與其他成像技術(shù)相結(jié)合如超聲檢查、X射線、CT、MRI和PET等，可以彌補(bǔ)深度問題，并且已經(jīng)顯示出精確切除腫瘤的可能性，能夠?qū)崟r(shí)引導(dǎo)腫瘤切除，定位前哨淋巴結(jié)，真正實(shí)現(xiàn)手術(shù)導(dǎo)航，幫助外科醫(yī)生進(jìn)行術(shù)中決策。

本文通過對(duì)NIRF 在臨床的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，以期對(duì)未來應(yīng)用此類技術(shù)提供思路。NIRF現(xiàn)已經(jīng)開始被越來越多的外科醫(yī)生所重視，它擴(kuò)展了傳統(tǒng)手術(shù)觀念，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展和新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，NIRF 成像的研究范圍將不斷擴(kuò)大，有望為人類疾病診斷和治療提供一種嶄新的方法。