光學(xué)分子影像導(dǎo)航下精準(zhǔn)手術(shù)的應(yīng)用與研究進(jìn)展

王燕，方向明

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬無錫人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，江蘇 無錫 214023)

外科手術(shù)切除是惡性腫瘤最主要的治療方法。雖然術(shù)前CT、磁共振成像及正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描等影像技術(shù)對病灶評估起重要作用，但由于時(shí)空差異性以及術(shù)中實(shí)地解剖與術(shù)前圖像存在顯著的差異，目前外科醫(yī)師在術(shù)中探測和切除腫瘤仍主要憑借其經(jīng)驗(yàn)，利用觸診和肉眼視覺完成病灶的識(shí)別與切除。腫瘤術(shù)后復(fù)發(fā)的主要原因之一是病灶殘留，如何精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)病灶及界定腫瘤的邊界，既徹底切除腫瘤又盡可能保護(hù)正常組織結(jié)構(gòu)，減少復(fù)發(fā)及術(shù)后并發(fā)癥是臨床手術(shù)面臨的巨大難題。

隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展，術(shù)中影像導(dǎo)航技術(shù)有了很大發(fā)展，如術(shù)中磁共振成像及CT導(dǎo)航技術(shù)[1-2]已用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤手術(shù)，但由于設(shè)備龐大、價(jià)格昂貴及輻射劑量大等缺點(diǎn)限制了其在臨床上的推廣。光學(xué)分子影像引導(dǎo)下的手術(shù)具備安全無創(chuàng)性及操作簡單等優(yōu)勢，為術(shù)中導(dǎo)航提供了新的解決方法，可能開啟外科精準(zhǔn)手術(shù)的時(shí)代?，F(xiàn)就光學(xué)分子影像技術(shù)在術(shù)中導(dǎo)航的應(yīng)用及研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 光學(xué)分子影像的概念與作用

分子影像是指通過二維或三維成像設(shè)備在分子和細(xì)胞水平上對生物過程的可視化、定性或定量分析[3-5]。近年來，分子影像技術(shù)成為研究的熱點(diǎn)，其中光學(xué)分子影像學(xué)是該領(lǐng)域中發(fā)展最快的方向之一。光學(xué)分子影像是利用自身的熒光物質(zhì)的特性或外源性加入熒光化合物，在特定的光學(xué)成像設(shè)備下，將細(xì)胞行為轉(zhuǎn)化成可視化模式，提供更多的疾病信息，輔助醫(yī)師進(jìn)行醫(yī)療決策。其作用可大致分為三類：①體內(nèi)檢測，通常采用體外光學(xué)二維或三維成像設(shè)備，檢測活體內(nèi)腫瘤或病變組織；②治療，多模態(tài)探針進(jìn)入活體內(nèi)，通過光學(xué)成像設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測腫瘤組織，擔(dān)載的藥物用于腫瘤治療[6]；③術(shù)中導(dǎo)航，術(shù)前或術(shù)中注射熒光探針后，在光學(xué)分子影像系統(tǒng)的特定激發(fā)波下，熒光探針發(fā)射相應(yīng)的波長，被熒光成像系統(tǒng)設(shè)備所接收，從而在顯示屏上清晰顯示出病變組織的形態(tài)，輔助醫(yī)師實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化手術(shù)。

2 用于術(shù)中導(dǎo)航的光學(xué)分子成像系統(tǒng)與探針

光學(xué)分子影像學(xué)的發(fā)展有兩個(gè)重要的方面：①對成像設(shè)備的改進(jìn)，提高設(shè)備對其靶向物質(zhì)的敏感性及特異性，使視野更加清晰化；②對分子成像探針的研究，開發(fā)具有更高敏感性與特異性的分子探針，提高靶向組織的顯影率，達(dá)到精準(zhǔn)化目的。

2.1用于術(shù)中導(dǎo)航的光學(xué)分子成像系統(tǒng) 目前，熒光導(dǎo)航系統(tǒng)有Fluobeam (Fluoptics,Grenoble,Franc)[7]、PINPOINT Endoscopic Fluorescence Imaging System(Novadaq Technologies Inc,Bonita Springs,FL)[8]、D-Light P system(Karl Storz)[9]以及各實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的熒光影像設(shè)備[10]。其基本系統(tǒng)構(gòu)成包括發(fā)射特定波長的激光器，接收熒光團(tuán)發(fā)射的波長的接收器，通過圖像處理顯示熒光圖像的顯示器。

2.2用于術(shù)中導(dǎo)航的光學(xué)分子成像探針 光學(xué)分子成像探針根據(jù)功能的不同分為靶向型和智能型。靶向型探針又可分為主動(dòng)靶向型探針和被動(dòng)靶向型探針。主動(dòng)靶向型探針即配體或抗體等物質(zhì)與熒光分子以特定的方式結(jié)合后所構(gòu)建的一種新的化合物，進(jìn)入生物體內(nèi)后，通過與靶點(diǎn)特異性結(jié)合從而顯影組織區(qū)域，如抗癌胚抗原抗體與熒光染料IR800所構(gòu)建的主動(dòng)靶向型探針在小鼠胰腺癌模型中有很好的定位作用[11]；被動(dòng)靶向型探針則是利用類似于腫瘤的高通透性和滯留效應(yīng)，使探針被動(dòng)積聚在組織中。智能型探針指可響應(yīng)組織中特定微環(huán)境(如活性氧類[12]、酸堿度[13]、酶[14])的改變，而發(fā)生熒光信號(hào)變化的分子成像探針。

構(gòu)成熒光探針的必備物質(zhì)是熒光成像劑，即具有熒光特性的物質(zhì)。常用熒光成像劑有吲哚菁綠(indocyanine green,ICG)、5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid,5-ALA)、熒光素鈉、亞甲藍(lán)及其他近紅外熒光染料。ICG是應(yīng)用最為廣泛的近紅外熒光染料，激發(fā)和發(fā)射波長分別為807、822 nm[15]，進(jìn)入血液后，與血漿蛋白結(jié)合，主要由肝臟代謝。亞甲藍(lán)是小分子芳香雜環(huán)化合物，激發(fā)和發(fā)射波長為670、690 nm[15]，主要經(jīng)腎臟代謝。5-ALA[16]是體內(nèi)生成血紅素的前體物質(zhì)，在特定波長(400～410 nm)的藍(lán)光照射下，代謝產(chǎn)物原卟啉物質(zhì)可發(fā)出紅-紫熒光。熒光素鈉是一種有機(jī)熒光染料，在494 nm波長的激發(fā)下，發(fā)射512 nm波長，通常由于不完整的血腦屏障而積聚于腫瘤區(qū)域[17]。

3 光學(xué)分子影像導(dǎo)航手術(shù)的應(yīng)用與研究

3.1腫瘤瘤灶的術(shù)中實(shí)時(shí)檢測、定位與分界 目前，術(shù)中外科醫(yī)師主要利用觸診及肉眼觀察評估病灶情況，如果腫瘤邊界與周圍組織分界清晰，則可進(jìn)行完全切除，但色差超過人眼的分辨力或腫瘤呈浸潤生長則難以對腫瘤的邊界進(jìn)行區(qū)分。在腫瘤切除時(shí)很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)，為了最大限度地切除腫瘤，降低殘留及復(fù)發(fā)率，通常會(huì)選擇切除更多的瘤周正常組織(可能導(dǎo)致并發(fā)癥發(fā)生率的增加)或術(shù)中快速病理幫助檢測切緣有無殘留腫瘤組織(其耗時(shí)長增加麻醉不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)以及取材點(diǎn)不能覆蓋所有切緣面而存在著殘留及二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn))。為了尋求更精準(zhǔn)的手術(shù)方式，光學(xué)分子影像引導(dǎo)下的手術(shù)逐漸進(jìn)入臨床與臨床前研究。

3.1.1臨床應(yīng)用研究 ICG已廣泛用于多種腫瘤手術(shù)。腹腔鏡肝癌手術(shù)中，利用ICG熒光融合影像技術(shù)可達(dá)到術(shù)中實(shí)時(shí)顯影腫瘤的效果，其檢測率達(dá)85%(45/53)，并且還能發(fā)現(xiàn)術(shù)前未能檢出的隱匿微小癌灶，清晰地顯影肝段的界限，實(shí)現(xiàn)解剖性肝切除，達(dá)到肝膽外科精準(zhǔn)手術(shù)的目的[18]。乳腺癌手術(shù)中，超聲輔助下將ICG注射到病灶內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)顯影乳腺癌，并且清晰顯示腫瘤邊緣[19-20]。此外，在肺結(jié)節(jié)的臨床手術(shù)中，常規(guī)劑量(5 mg/kg)下，ICG最小可檢測出直徑為0.2 cm的結(jié)節(jié)，而在低劑量(1 mg/kg)下仍可顯影肺結(jié)節(jié)，通過提高熒光成像系統(tǒng)的敏感性，其結(jié)節(jié)檢出靈敏度高達(dá)88.7%(68/76)，但距離胸膜深度超過1.3 cm的結(jié)節(jié)，由于熒光穿透深度限制，未能顯示出熒光，產(chǎn)生假陰性的結(jié)果[21-23]。因此，綜合利用術(shù)前與術(shù)中的成像信息，多方面評估病灶的情況至關(guān)重要。

5-ALA及熒光素鈉主要應(yīng)用于神經(jīng)領(lǐng)域?；颊呓?jīng)過5-ALA引導(dǎo)下的膠質(zhì)瘤手術(shù)的術(shù)后中位生存時(shí)間及存活率均優(yōu)于常規(guī)手術(shù)組，同時(shí)熒光組患者術(shù)后均未出現(xiàn)功能性的損害[24]?？梢?，5-ALA熒光導(dǎo)航下的切除手術(shù)有助于提高患者的預(yù)后，展示出熒光技術(shù)的優(yōu)越性。利用熒光素鈉實(shí)施膠質(zhì)瘤術(shù)中導(dǎo)航，同樣可以提高總切除率，減少復(fù)發(fā)[25]。鑒于5-ALA可以被惡性膠質(zhì)瘤攝取，而熒光素鈉則主要積聚在血漿中，可以利用這一點(diǎn)充分發(fā)揮兩者熒光物質(zhì)的特性，形成一種雙標(biāo)記探針，尋求更精準(zhǔn)的手術(shù)方式[26]。

除上述常用的熒光探針外，還有一些自主研發(fā)的熒光探針也逐漸進(jìn)入臨床研究。通過葉酸標(biāo)記的靶向型異硫氰酸熒光素?zé)晒馓结樋删_定位卵巢癌及其轉(zhuǎn)移范圍，實(shí)現(xiàn)卵巢癌的精準(zhǔn)手術(shù)[27]。之后，在高表達(dá)葉酸受體α的肺癌患者中，利用此類探針對界定腫瘤切緣展示出較好的效果[28]。在乳腺癌手術(shù)中使用γ谷氨酰羥甲基羅丹明綠探針可以清晰顯示腫瘤組織與正常組織的邊界，輔助外科醫(yī)師在保乳手術(shù)術(shù)中確定腫瘤切緣[29]。

3.1.2基礎(chǔ)研究 新型熒光探針的構(gòu)建需要多種成分，各成分的安全性需要重新認(rèn)證，需從有效性、安全性和倫理學(xué)等多角度進(jìn)行評估，因此其作為藥物進(jìn)入臨床需要很長的周期，這使得很多熒光術(shù)中導(dǎo)航的研究仍處于基礎(chǔ)研究階段。

整合素αvβ3可在多種腫瘤中高表達(dá)，形成有助于識(shí)別正常組織的特異標(biāo)志物，是一種新型的抗癌治療靶點(diǎn)。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列能識(shí)別整合素αvβ3，并與之特異性結(jié)合。將介孔二氧化硅納米粒子修飾的ICG與精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列相結(jié)合，合成的新型靶向型熒光探針I(yè)CG/介孔二氧化硅納米粒子-精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列順利檢出直徑為1 mm的微小肝癌轉(zhuǎn)移灶[30]。結(jié)腸癌中，癌胚抗原通常呈現(xiàn)高水平，利用這一點(diǎn)，抗癌胚抗原抗體與DyLight 650熒光劑合成的靶向型探針可顯影結(jié)腸癌肝轉(zhuǎn)移小鼠中的癌灶，并且發(fā)現(xiàn)熒光組的無瘤生存期和總生存期均長于常規(guī)手術(shù)組，同時(shí)證明了熒光引導(dǎo)下的手術(shù)具有更大的應(yīng)用前景[31]。

目前大多數(shù)臨床前研究是利用腫瘤細(xì)胞可以高表達(dá)某些物質(zhì)(神經(jīng)激肽-1受體[32]、前列腺干細(xì)胞抗原[33]、成纖維細(xì)胞激活蛋白[34]等)，而后合成相應(yīng)的靶向型熒光探針進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這為光學(xué)分子影像導(dǎo)航手術(shù)的臨床應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2前哨淋巴結(jié)的檢出 臨床上，除關(guān)注腫瘤的檢出、定位及分界，前哨淋巴結(jié)的檢出同樣具有重要意義。前哨淋巴結(jié)通常是指腫瘤組織第一站所轉(zhuǎn)移的淋巴結(jié)。理論上若前哨淋巴結(jié)無轉(zhuǎn)移，則可避免進(jìn)行淋巴結(jié)的清掃，縮短手術(shù)時(shí)間，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)大大提高患者的生活質(zhì)量?？焖俣志珳?zhǔn)地檢出前哨淋巴結(jié)是臨床醫(yī)師所追求的目標(biāo)。目前，臨床上檢出前哨淋巴結(jié)的方法有核素示蹤法、納米碳示蹤法和亞甲藍(lán)示蹤法，但存在輻射大、檢出率低等不足，ICG、5-ALA及其他熒光示蹤劑逐漸受到外科醫(yī)師的重視。

3.2.1臨床應(yīng)用研究 乳腺癌患者中，應(yīng)用ICG檢測前哨淋巴結(jié)探測率可達(dá)99%[35]，而聯(lián)合使用ICG與亞甲藍(lán)的檢出率均優(yōu)于單獨(dú)使用ICG或亞甲藍(lán)[36]。充分利用不同熒光染料可提高該成像技術(shù)對前哨淋巴結(jié)的檢出效能。胃癌患者中，熒光素鈉對前哨淋巴結(jié)的顯影率高達(dá)95%(19/20)[37]，5-ALA的靈敏度和特異度分別為91.9%、90.8%[38]。此外，頭頸部[39]及盆腔[40]手術(shù)中使用熒光染料檢出前哨淋巴結(jié)的應(yīng)用也均有報(bào)道。這些研究成果均表明光學(xué)分子影像技術(shù)在前哨淋巴結(jié)的檢出中具有很好的應(yīng)用前景，可以輔助臨床醫(yī)師簡便而快速地檢出前哨淋巴結(jié)。

van den Berg等[41]報(bào)道的ICG-99Tcm的雙模態(tài)探針既可以術(shù)前利用正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描對前哨淋巴結(jié)進(jìn)行定位，又可以術(shù)中動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀察前哨淋巴結(jié)，加上術(shù)中注射熒光素鈉，更加清晰地顯影淋巴管，這種雙模態(tài)探針增加了辨別前哨淋巴結(jié)的準(zhǔn)確性，顯示了未來多模態(tài)探針發(fā)展的可行性?？紤]到核素的輻射性，未來多模態(tài)探針應(yīng)更多地往非輻射探針方向發(fā)展，如構(gòu)建適用于磁共振成像與熒光導(dǎo)航系統(tǒng)的雙模態(tài)探針，術(shù)前利用磁共振成像評估腫瘤整體情況，術(shù)中使用熒光導(dǎo)航技術(shù)實(shí)時(shí)指導(dǎo)手術(shù)進(jìn)程。

3.2.2基礎(chǔ)研究 關(guān)于前哨淋巴結(jié)的研究，已在頭頸部腫瘤、乳腺癌、胃癌、直腸癌及前列腺癌等展開多項(xiàng)試驗(yàn)。為了減少熒光團(tuán)淬滅，獲得性能更穩(wěn)定的熒光探針，通過將納米凝膠與Cy7染料進(jìn)行偶聯(lián)，得到尺寸僅為28 nm的熒光探針，納米尺寸的特性使其易于通過淋巴管引流至淋巴結(jié)，達(dá)到實(shí)時(shí)顯影的目的[42]。術(shù)中，檢出前哨淋巴結(jié)后仍需要通過快速病理判斷是否有轉(zhuǎn)移灶，若術(shù)中可實(shí)時(shí)評估淋巴結(jié)的狀態(tài)則可達(dá)到實(shí)時(shí)指導(dǎo)手術(shù)進(jìn)程、縮短手術(shù)時(shí)間的目的。有研究表明，構(gòu)建的巨噬細(xì)胞特異性的熒光探針可實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)評估淋巴結(jié)狀態(tài)[43]。

3.3神經(jīng)組織的保護(hù) 在外科手術(shù)中，對神經(jīng)組織的保護(hù)尤為重要，一旦損傷神經(jīng)會(huì)使其失去相應(yīng)的支配功能，可導(dǎo)致聲音嘶啞、呼吸困難、肢體麻木、尿失禁等一系列并發(fā)癥。術(shù)中，外科醫(yī)師一般在肉眼下通過觀察組織的顏色及臨床經(jīng)驗(yàn)來區(qū)分神經(jīng)與血管及其他組織，但是未充盈的血管及結(jié)締組織與神經(jīng)顏色相近，容易出現(xiàn)判斷的誤差，對于細(xì)小的神經(jīng)更增加了辨別的難度。目前，臨床上可通過神經(jīng)監(jiān)測儀來確定神經(jīng)組織，但是流程復(fù)雜、需多個(gè)團(tuán)隊(duì)的密切配合以及設(shè)備昂貴等不足，限制了神經(jīng)檢測儀的臨床應(yīng)用。而光學(xué)分子影像技術(shù)由于其獨(dú)特優(yōu)勢，在神經(jīng)顯影方面也有一定的應(yīng)用。

3.3.1臨床應(yīng)用研究 鑒于ICG固有的特性，目前神經(jīng)顯影方面的臨床報(bào)道僅限于ICG這一種熒光染料。乳突切除術(shù)中，患者的面神經(jīng)在注射ICG 1 min后即可顯影，醫(yī)師通過熒光精準(zhǔn)尋找到神經(jīng)，減少主觀盲目尋找神經(jīng)的因素，從而降低神經(jīng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)[44]。同樣地，在保護(hù)胸交感神經(jīng)的探究中，也有類似的臨床研究，術(shù)前24 h靜脈注射ICG后可在胸腔鏡手術(shù)中觀察到胸交感神經(jīng)的顯影，相比以肋骨為解剖性標(biāo)志來判斷胸神經(jīng)節(jié)的位置，利用熒光顯影能清晰方便地直接識(shí)別神經(jīng)組織[45]。神經(jīng)束膜中的血流量可能會(huì)影響ICG的顯影效果。而束膜的血流量是不可控的，因此，如何嚴(yán)格掌控好ICG的劑量及熒光的拍攝時(shí)間等其他可控因素來提高顯影神經(jīng)的效能需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

3.3.2基礎(chǔ)研究 神經(jīng)顯影中主要報(bào)道的是噬菌體多肽與熒光物質(zhì)構(gòu)建成新型的熒光探針。該探針可清晰顯影小鼠的所有神經(jīng)，并且已成功用于人體體外實(shí)驗(yàn)[46]。在腮腺癌的動(dòng)物模型中，也清楚可見面神經(jīng)及其分支顯影，而且術(shù)后未發(fā)生神經(jīng)功能的障礙[47]。此探針可以為術(shù)中保護(hù)神經(jīng)組織提供很大幫助。但目前尚未正式進(jìn)入臨床研究，需要更進(jìn)一步的探索。目前，關(guān)于熒光顯影神經(jīng)方面的報(bào)道較少見，這也為以后的光學(xué)分子影像研究提供了很大的空間，促使更多的學(xué)者研究這方面的相關(guān)內(nèi)容，如尋求與神經(jīng)結(jié)合的熒光靶向探針等。

4 小 結(jié)

光學(xué)分子影像導(dǎo)航手術(shù)正在臨床上展開一系列的研究，取得了一定的研究成果，但仍有很多問題需要進(jìn)一步探究，如提高熒光探針的敏感性、安全性、靶向性以及改良熒光成像設(shè)備等。在保證熒光探針安全性的同時(shí)，加速基礎(chǔ)研究向臨床應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，讓更多的患者受益。對于目前一些醫(yī)院進(jìn)行的單中心、小樣本的臨床研究，應(yīng)進(jìn)一步展開一系列的隨機(jī)、多中心、雙盲臨床試驗(yàn)，以驗(yàn)證其臨床應(yīng)用效能。