光學(xué)顯微成像技術(shù)在卵巢癌早期診斷上的應(yīng)用研究進(jìn)展

趙天宇，楊勝男，潘 穎，王 佳

(吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 婦產(chǎn)科，吉林 長(zhǎng)春130033)

卵巢癌(ovarian cancer)為婦科三大惡性腫瘤之一，其病死率為女性生殖道惡性腫瘤之首，且呈逐年上升的趨勢(shì)[1]。卵巢惡性腫瘤包括多種病理類型，其中約80%為上皮性癌(epithelial ovarian cancer,EOC)。由于卵巢位于盆腔深處，其病變?cè)缙跁r(shí)往往沒(méi)有特異的臨床癥狀，而出現(xiàn)癥狀時(shí)70%的患者已處于晚期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，早期卵巢癌患者治療后5年生存率可高達(dá)90%，而晚期卵巢癌5年生存率僅為30%-40%[2]。目前，人們對(duì)這種疾病的早期進(jìn)展知之甚少[3]，且現(xiàn)有的技術(shù)無(wú)法達(dá)到準(zhǔn)確診斷早期卵巢癌的要求。組織病理學(xué)檢查一直是確診卵巢癌的唯一“金標(biāo)準(zhǔn)”，但由于卵巢癌早期發(fā)病隱匿，且組織病理學(xué)為有創(chuàng)性檢查，因此不能作為早期卵巢癌篩查的常規(guī)方法[4-5]。多年來(lái)，血清生物標(biāo)志物CA125一直是關(guān)注的重點(diǎn)，此后還評(píng)估了其他標(biāo)志物的組合[6-7]。然而這些標(biāo)志物的敏感性和特異性相對(duì)較差，聯(lián)合影像學(xué)手段如B超、CT及MRI等，仍沒(méi)有達(dá)到檢測(cè)出早期卵巢癌或癌前病變所需的敏感性[8-9]。因此，找到靈敏度與特異性均較高的卵巢癌早期診斷方法，對(duì)于降低患者的死亡率、改善預(yù)后有重要意義。

近年來(lái)，光學(xué)顯微成像技術(shù)越來(lái)越多地用于生物醫(yī)學(xué)研究，在癌癥的病理診斷、藥物效果、神經(jīng)疾病等方面已經(jīng)取得了一系列較好的研究成果[10]。光學(xué)顯微成像技術(shù)作為腫瘤檢測(cè)的主要方法之一，具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無(wú)損、非侵入性。通過(guò)基于成像的篩選，盡可能地實(shí)現(xiàn)癌癥早期診斷及治療來(lái)達(dá)到降低某些癌癥死亡率的目的[11]?，F(xiàn)就光學(xué)顯微成像技術(shù)在卵巢癌早期診斷上的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，本文介紹的光學(xué)顯微成像技術(shù)主要是二次諧波(Second Harmonic Generation,SHG)、拉曼光譜(Raman Spectroscopy，RS)。

1 二次諧波

1.1 SHG的發(fā)生、發(fā)展1961年，F(xiàn)ranken[12]等人在石英晶體上首次發(fā)現(xiàn)了SHG，從而誕生了非線性光學(xué)。1971年，F(xiàn)ine和Hansen在生物組織中首次檢測(cè)到內(nèi)源性SHG信號(hào)[13]。自此，人們開(kāi)始廣泛研究生物組織中的內(nèi)源性SHG信號(hào)，這一發(fā)現(xiàn)為組織結(jié)構(gòu)信息的獲取提供了新的思路。1896年SHG成像通過(guò)對(duì)鼠尾肌腱成像確定了膠原纖維的方向[14-15]，從此在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，非線性光學(xué)技術(shù)作為一種新興技術(shù)被廣泛研究。近年來(lái)，SHG顯微鏡已成為一種用于纖維可視化的新型成像技術(shù)[16]。

1.2 SHG的成像特性SHG成像具有以下特性：①高空間分辨率和高成像深度[17]；②SHG信號(hào)較獨(dú)立，干擾性?。虎跾HG為生物組織內(nèi)原發(fā)性信號(hào)，樣品成像無(wú)需染料標(biāo)記，是一種理想的非侵入生物活體成像方法；④SHG光源對(duì)樣品的穿透性強(qiáng)、損傷?。虎軸HG通過(guò)反映某些結(jié)構(gòu)變化特性[18-20]，可以為疾病的診斷和治療提供依據(jù)。

大量研究結(jié)果表明，測(cè)量樣品中SHG信號(hào)的偏振依賴性，可獲得組織內(nèi)膠原蛋白的排列取向，掌握正常組織中結(jié)構(gòu)的排列規(guī)則，進(jìn)而研究異常組織中膠原蛋白結(jié)構(gòu)的排列推斷其疾病狀態(tài)[21-22]。

1.3 SHG成像在卵巢癌診斷上的應(yīng)用研究進(jìn)展癌癥的發(fā)生、進(jìn)展與腫瘤微環(huán)境中細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的重塑有著密切相關(guān)性[23]。重塑可以表現(xiàn)為現(xiàn)有纖維的重新排列，也可表現(xiàn)為新膠原蛋白沉積增加，這些改變對(duì)幾種上皮性腫瘤的起始和進(jìn)展是至關(guān)重要的[24]，所以，探究ECM成分和結(jié)構(gòu)的改變可能會(huì)為檢測(cè)微小腫瘤或癌前病變提供更有價(jià)值的信息。例如，卵巢癌中幾種蛋白酶(如MMP2、MMP9和UPa)的上調(diào)與侵襲/轉(zhuǎn)移有關(guān)，它們通過(guò)降解基底膜和/或基質(zhì)發(fā)揮作用[25]。腫瘤基質(zhì)細(xì)胞的變化可以引起腫瘤細(xì)胞發(fā)生一連串的變化，從而產(chǎn)生更具侵襲性的腫瘤細(xì)胞[26-27]。研究者認(rèn)為，腫瘤發(fā)病和進(jìn)展相關(guān)的基質(zhì)變化通常是疾病過(guò)渡期的驅(qū)動(dòng)因素和標(biāo)志物，ECM的主要成分是膠原蛋白，進(jìn)一步研究膠原蛋白的特異性顯微成像模式(如SHG成像顯微鏡)是有利的，SHG成像顯微鏡技術(shù)已被用來(lái)觀察幾種癌癥(包括卵巢癌)以及其它以膠原結(jié)構(gòu)改變?yōu)樘卣鞯募膊?如纖維化和結(jié)締組織疾病)的膠原結(jié)構(gòu)，對(duì)ECM中膠原蛋白結(jié)構(gòu)的“可視化”有著極大的敏感性和特異性[28]。

2007年Kirkpatrick[29]等人運(yùn)用SHG結(jié)合雙光子激發(fā)熒光(2PEF)技術(shù)評(píng)估卵巢上皮細(xì)胞和底層基質(zhì)，通過(guò)觀察膠原蛋白結(jié)構(gòu)的變化和上皮細(xì)胞的氧化還原反應(yīng)，從光學(xué)特征角度區(qū)分正常卵巢組織和卵巢癌組織。此外，該實(shí)驗(yàn)還比較了高風(fēng)險(xiǎn)患者(基于他們的個(gè)人/家族癌癥史)的卵巢組織，表現(xiàn)出高度可變的細(xì)胞氧化還原比例和膠原蛋白結(jié)構(gòu)，由此推測(cè)有向癌癥樣本發(fā)展的趨勢(shì)。2010年，Nadiarnykh[30]等人使用三維SHG成像測(cè)量和體積光學(xué)參數(shù)測(cè)量，量化了人類正常卵巢和惡性卵巢腫瘤中卵巢ECM形態(tài)學(xué)變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在惡性腫瘤組織中有顯著差異，SHG發(fā)射屬性(方向性和相對(duì)強(qiáng)度)和批量光學(xué)參數(shù)與膠原蛋白組裝的變化一致。同時(shí)該實(shí)驗(yàn)提出，癌癥中膠原蛋白的組裝可能是由新合成的膠原蛋白組成的，而不是對(duì)現(xiàn)有膠原蛋白的修改。2016年，Wen[31]等人運(yùn)用SHG成像結(jié)合局部分析算法來(lái)探測(cè)快速變化的纖維形態(tài)，用來(lái)區(qū)分正常卵巢組織和高級(jí)別惡性卵巢組織以及其卵巢癌亞型。2019年，Rentchler[32]等人將漿液性輸卵管上皮內(nèi)癌(STICs)、卵巢高級(jí)別腫瘤和輸卵管正常區(qū)域組織的SHG成像結(jié)合起來(lái)，在卵巢高級(jí)別腫瘤和其他組織之間的分類中實(shí)現(xiàn)了接近100%的準(zhǔn)確率，其中STICs和正常區(qū)域組織的區(qū)分準(zhǔn)確率約為75%。他們還發(fā)現(xiàn)在STICs和卵巢高級(jí)別腫瘤中的膠原蛋白都有類似的形態(tài)，進(jìn)一步證實(shí)了這些部位之間可能發(fā)生轉(zhuǎn)移。該研究提供了一種新的分類方法，同時(shí)也量化了疾病的結(jié)構(gòu)變化，這可能為疾病的轉(zhuǎn)移提供了新的見(jiàn)解。2021年，Gant[33]等人基于SHG圖像紋理和特征區(qū)分正常卵巢輸卵管組織及高級(jí)別漿液性卵巢癌(HGSOC)組織，同時(shí)他們對(duì)正常組織和HGSOC組織進(jìn)行質(zhì)譜分析，通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)分析確定了HGSOC存在單一α鏈的下調(diào)(包括膠原蛋白Ⅰ和Ⅲ)，這為早期卵巢癌的ECM重塑提供了新的見(jiàn)解，并建議將二次諧波顯微鏡和質(zhì)譜儀聯(lián)合使用作為一種新的診斷方法。此外，該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還有額外擴(kuò)展，觀察膠原纖維形態(tài)的早期變化是否隨p53分子表達(dá)而被檢測(cè)到，結(jié)果提示對(duì)于HGSOC的早期轉(zhuǎn)移，研究前期病變[34](p53和STICs的改變)非常有價(jià)值。

SHG成像作為一種無(wú)損的高分辨層析成像方法，其信號(hào)反映的是組織結(jié)構(gòu)變化特性，當(dāng)腫瘤細(xì)胞發(fā)生微觀改變時(shí)，可直接觀察到組織不同層面的變化[35]。SHG成像技術(shù)有望成為卵巢癌早期診斷的一種有效手段，以期發(fā)展為適用于人體內(nèi)成像的光學(xué)診斷方法，進(jìn)行實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)、動(dòng)態(tài)成像，成為真正地“光學(xué)活檢”。

2 拉曼光譜

2.1 RS的發(fā)生、發(fā)展1928年，印度科學(xué)家拉曼觀察單色光通過(guò)液態(tài)苯和四氯化碳溶液時(shí)發(fā)現(xiàn)了拉曼散射現(xiàn)象(Raman scattering)。發(fā)生拉曼散射后，光的波長(zhǎng)或顏色會(huì)發(fā)生變化，這是由散射物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定的。不同分子鍵(包括單一的化學(xué)鍵和數(shù)個(gè)化學(xué)鍵組成的基團(tuán))振動(dòng)產(chǎn)生的拉曼散射光波長(zhǎng)位置和強(qiáng)度不同，由此組成了拉曼光譜(Raman spectroscopy)。物質(zhì)中分子鍵不同的振動(dòng)頻率有且只有一個(gè)獨(dú)特的拉曼光譜[36]，這就是在拉曼光譜圖中分子的“化學(xué)指紋”。

早期拉曼技術(shù)發(fā)展較緩慢，直至20世紀(jì)60年代，紅寶石激光器的問(wèn)世成為拉曼光譜的理想激發(fā)光源，這快速推動(dòng)了拉曼技術(shù)的研究。1974年，F(xiàn)leichmann[37]等人發(fā)現(xiàn)吡啶分子吸附于銀電極表面后拉曼光譜信號(hào)較前極大增強(qiáng)[38]，由此提出了表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface-Enhanced Raman scattering,SERS)現(xiàn)象。此后，越來(lái)越多的拉曼信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)被研發(fā)，目前常用的拉曼信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)主要包括表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)(SERS)[39]、共振拉曼光譜技術(shù)(RRS)[40-41]、共聚焦拉曼光譜技術(shù)(CRM)[42]、受激拉曼光譜技術(shù)(SRS)[43-44]。有研究報(bào)道，拉曼技術(shù)在腫瘤疾病篩查上有巨大潛力，包括卵巢癌、乳腺癌、肺癌、皮膚癌等[45-46]。利用光譜儀獲取樣本的拉曼光譜，可以是新鮮的樣本組織，也可以是儲(chǔ)存未加工的樣本，對(duì)光譜信息分析后可區(qū)分樣品類型與性質(zhì)。

2.2 RS成像特點(diǎn)拉曼光譜技術(shù)成像有以下特點(diǎn)[47-48]：①樣品無(wú)需預(yù)處理，是一種無(wú)損傷的成像方法。②成像簡(jiǎn)便，對(duì)樣品有更高的靈敏度和特異性，可反映生物組織病變前后核酸、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等諸多生物代謝產(chǎn)物含量及精細(xì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。③與其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)(如超聲、CT、MRI等)相比，拉曼成像技術(shù)相對(duì)分辨率更高、時(shí)效更快，在細(xì)胞代謝的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、細(xì)胞成分分析和分類以及疾病的診斷和治療等方面有巨大應(yīng)用潛力。

2.3 RS技術(shù)在卵巢癌診斷的應(yīng)用進(jìn)展癌癥的演變，最早是細(xì)胞內(nèi)代謝水平和分子結(jié)構(gòu)的變化，而腫瘤標(biāo)志物、影像學(xué)方法等都無(wú)法早期對(duì)癌變組織診斷，組織病理學(xué)為有創(chuàng)性診斷，不適合作為疾病早期篩查的常規(guī)方法。拉曼光譜可以靈敏地檢測(cè)到癌變細(xì)胞與正常細(xì)胞在分子水平上的組成差異，具有區(qū)分癌組織的能力，為疾病的發(fā)病機(jī)制和進(jìn)展提供重要信息。

2005年Krishna[49]等人對(duì)來(lái)自相同卵巢的正常組織、福爾馬林固定的惡性組織及石蠟包埋和脫蠟切片處理后的惡性組織進(jìn)行拉曼光譜成像。結(jié)果表明，正常卵巢組織和處理后的惡性卵巢組織在拉曼光譜的輪廓上仍表現(xiàn)出顯著差異，原則上可以利用拉曼光譜來(lái)區(qū)分組織類型。2018年鹿紹宇[50]等人運(yùn)用共聚焦顯微拉曼光譜技術(shù)結(jié)合PLS-DA模型，實(shí)現(xiàn)85.2%的卵巢癌診斷準(zhǔn)確率，對(duì)比CA125和超聲診拉曼光譜技術(shù)結(jié)合數(shù)據(jù)模型的檢測(cè)方法對(duì)卵巢癌的診斷更為理想。2022年David Sandryne[51]等人開(kāi)發(fā)了一種選擇算法模型，該模型僅使用8個(gè)拉曼光譜波段即可檢測(cè)出卵巢癌。另外，當(dāng)癌細(xì)胞或代謝物進(jìn)入血液循環(huán)時(shí)可引起血液成分及其微環(huán)境發(fā)生改變。對(duì)癌癥患者及正常人的血清成分進(jìn)行拉曼光譜檢測(cè)，分析兩者成分上的差異也可做為早期癌癥診斷的一種方法[52-53]。2012年葉慧帆[54]等人采用激光共聚焦顯微拉曼光譜儀對(duì)卵巢癌患者和健康人的血清進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在約1010、1158、1283、1520、1646、2307和2661 cm-17個(gè)拉曼頻移附近，健康人血清的拉曼光譜峰值明顯高于卵巢癌患者，這為從血清的拉曼光譜強(qiáng)度上初步區(qū)分卵巢癌提供了更多證據(jù)。

據(jù)報(bào)道，超過(guò)160個(gè)蛋白質(zhì)在卵巢癌中有差異表達(dá)，被上調(diào)的蛋白質(zhì)如CA-125、CA19-9、HE4等；被下調(diào)的如表皮生長(zhǎng)因子受體(EGFR)和載脂蛋白A1等[55]。2018年P(guān)araskevaidi[56]等人對(duì)卵巢癌患者和良性婦科病患者的血漿樣本進(jìn)行自發(fā)拉曼光譜和SERS成像，兩種技術(shù)都能檢測(cè)到五種光譜生物標(biāo)志物，并可作為指示癌變的標(biāo)志物使用。2019年談芳君[40]等人運(yùn)用激光拉曼光譜儀檢測(cè)健康成人、卵巢癌患者術(shù)前及術(shù)后3天的血清，研究發(fā)現(xiàn)卵巢癌患者的血清在幾個(gè)特定波長(zhǎng)處的拉曼光譜峰值較正常人顯著增高，且卵巢癌患者術(shù)后3天的幾個(gè)特定血清拉曼光譜的峰值較術(shù)前明顯下降，這一特征對(duì)于卵巢癌的早期診斷具有重要價(jià)值。

RS成像技術(shù)無(wú)需對(duì)組織標(biāo)記或染色即可獲得與組織特定分子結(jié)構(gòu)相關(guān)的光譜信息，對(duì)細(xì)胞內(nèi)的DNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等生化成分定量分析，可將細(xì)胞的表型、基因型和細(xì)胞所處的生理狀態(tài)完整反映出來(lái)，使豐富的細(xì)胞分子信息“可視化”。拉曼光譜技術(shù)作為一種無(wú)損、快捷、簡(jiǎn)便的分析技術(shù)，已證實(shí)可在血清標(biāo)志物、蛋白質(zhì)、核酸等方面區(qū)分卵巢癌，有望成為一種卵巢癌早期篩查的有效手段。

3 小結(jié)

迄今為止，人們?nèi)匀粵](méi)有掌握準(zhǔn)確的卵巢癌早期診斷技術(shù)，尋找特異度與靈敏度較好的卵巢癌早期診斷方法，對(duì)于提高患者的生存率、改善預(yù)后有重要意義。光學(xué)顯微成像技術(shù)作為腫瘤檢測(cè)的方法有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、非侵入性、快速等優(yōu)勢(shì)。目前光學(xué)顯微技術(shù)應(yīng)用于臨床疾病診斷仍有許多限制，比如：①原發(fā)性SHG信號(hào)的產(chǎn)生要求樣本為非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，樣本的廣泛成像難以獲得。②拉曼光譜診斷在腫瘤良惡性鑒別上有較大潛力，但對(duì)于腫瘤疾病的精準(zhǔn)診斷仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，運(yùn)用拉曼光譜成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)腫瘤疾病的分類及分型診斷是未來(lái)研究的重點(diǎn)。