惡性腫瘤的光學分子影像手術導航*

賀麗芳黃文河張國君②

·專家論壇·

惡性腫瘤的光學分子影像手術導航*

賀麗芳①黃文河①張國君①②

張國君教授，博士研究生導師，“長江學者”特聘教授。現任汕頭大學醫學院附屬腫瘤醫院院長，廣東省“乳腺癌診治研究重點實驗室”主任。為“新世紀百千萬人才工程”國家級人選，享受國務院特殊津貼。專業方向為乳腺癌進展與轉移的基礎及多學科綜合治療為主的臨床研究，以及光學分子影像學與抗腫瘤藥物研發的應用研究。發表論文及著作近100篇，其中在Nature Medicine、Nature、Nature Protocols、PNAS以第一作者或通訊作者發表SCI論文60余篇。承擔國家973項目分課題、國家自然科學基金、教育部、廣東省自然基金等逾10項科研項目。

光學分子影像是利用生物體自發熒光和熒光素酶的探針對分子和分子作用途徑監測的一種無創技術，具有操作簡單、無創傷、即時性、高敏感性、成像價格低的優點，被越來越多地應用于生物學、醫學等生命科學領域。常用的光學分子影像研究的熒光探針主要有內源性的熒光素酶、外源性的綠色熒光蛋白及近紅外熒光染料等。外科手術是惡性腫瘤的主要治療方法之一，如何在手術中實時動態檢測前哨淋巴結、確定腫瘤浸潤和轉移范圍、判定腫瘤切緣是否安全及保護神經等功能是腫瘤外科醫生面臨的臨床挑戰。光學分子影像手術導航正在逐步應用到以上領域，期待可以解決以上問題，最終可以使惡性腫瘤被精準切除。本文就目前國內外光學分子影像技術在惡性腫瘤手術導航領域的應用進行綜述。

光學分子影像 惡性腫瘤 腫瘤切緣 手術導航

光學分子影像技術（optical molecular imaging）是利用生物體自發熒光探針或者熒光素酶的生物發光對分子和分子作用途徑監測的一種無創技術，成像主要依賴于不同熒光的波長，不同波長的光其穿透力不同，光學分子影像中常用的波長范圍在400～1 000 nm之間，在這一范圍內包括可見光和近紅外熒光（near infrared fluorescence，NIR）。其中近紅外熒光染料適合做活體檢測，因為近紅外熒光的波長在650～900 nm之間，由此范圍內的波長被組織的吸收很少，而穿透性較強。光學分子影像以其操作簡單、無創傷、實時性、高敏感性、成像價格低等優點正越來越多的應用到醫學和生命科學等領域，成為連接基礎研究和臨床的橋梁。常應用于光學分子影像研究的熒光探針主要有熒光素酶（luciferase）、綠色熒光蛋白（green fluorescent protein，GFP）及近紅外熒光染料吲哚菁綠（indocyanine green，ICG）。目前光學分子影像技術主要應用于惡性腫瘤的診斷與治療，具體包括：示蹤腫瘤的浸潤與轉移；檢測基因及其產物的表達、基因調控；抗腫瘤藥物的療效評價；使惡性腫瘤相關事件如細胞凋亡、細胞周期、血管新生、乏氧等可視化［1］。

惡性腫瘤的治療是以手術為主的多學科綜合治療，特別是部分早期惡性腫瘤，僅憑手術就可以治愈，患者甚至可以長期生存。如何保證既能完整切除腫瘤及可能侵犯的組織或淋巴，又能最大限度地保留器官功能如直腸括約肌功能、喉返神經功能、面神經功能、上肢功能、乳房等是目前臨床上面臨的挑戰性問題。光學分子影像技術的研究進展為解決以上難題提供了手段與方法，特別是借助光學分子影像的手術導航正越來越多地應用于精準手術切除領域。可用于手術導航的影像技術包括光學、超聲、PET、CT、MRI等，其中目前應用最廣泛的是光學分子影像技術［2］。本文結合最新文獻，就國內外光學分子影像技術引導下的手術導航在惡性腫瘤領域的應用進行綜述。

1 惡性腫瘤的前哨淋巴結活檢

前哨淋巴結（sentinel lymph node，SLN）從解剖學角度講是指收納某器官區域組織淋巴液的第一站淋巴結；從臨床角度講是某器官的某一具體部位原發腫瘤淋巴引流發生轉移必經的第一站淋巴結［3］。如果前哨淋巴結沒有轉移，理論上來講就可以避免淋巴結清掃術，從而可以避免清掃術帶來的一系列術后并發癥，并且可以縮短手術時間。目前乳腺癌前哨淋巴結活檢的方法主要是藍染法、放射性同位素法以及兩者聯合法，藍染法的優點是使用方便、相對安全、便宜，但此種方法檢出SLN的成功率較低，約為65%～93%［4］，且美藍皮下注射可能引起組織壞死，對接受保乳治療的患者可能影響美容效果。核素標記法的優點是術前即在腋窩探測到“熱點”可較為準確的發現SLN，該方法的成功率可達91%～98%，可以在手術前2h～1d注射放射性核素［5］，但是由于放射性的緣故，需要與核醫學科醫生配合，且99Tc硫膠體在我國未獲承認，在大部分醫院都無法開展。聯合使用藍染料和放射性示蹤劑可以獲得更好的效果，當背景的放射性與SLN放射性相似時，藍染料可以提供視覺的幫助，聯合法是確定SLN的最佳技術，可以使檢測成功率提高1.3%，假陰性率降低到2.5%［6］。以上三種方法都有各自的優點，但它們缺乏實時、動態性，不能在直視下導航乳腺癌前哨淋巴結切除，大部分依靠外科醫生的臨床經驗，容易造成不必要的組織損傷。

2009年Hirche等［7］利用近紅外熒光染料ICG熒光特點將其應用于乳腺癌前哨淋巴結活檢，結果顯示該方法能實時、動態地導航乳腺癌前哨淋巴結切除。2012年Sugie等［8］比較了ICG熒光方法和傳統方法，結果顯示與傳統方法相比，ICG熒光方法具有更高的檢出率。國內2013年本院田捷教授等［9］，利用中國科學院自動化所自主研發的雙相機成像系統，采用ICG實時、動態的檢測乳腺前哨淋巴結，成功在22例乳腺癌患者體內術中導航前哨淋巴結，檢出率為100%，假陰性率為4.5%。

目前臨床分期淋巴結陰性的口咽癌前哨淋巴結活檢的標準示蹤劑是放射性核染料，然而，因為示蹤劑的放射性及可能對術者的放射性傷害限制了其在臨床的應用，國內本院頭頸外科［10］首次采用ICG聯合美藍法術中成功導航口咽部惡性腫瘤前哨淋巴結26例，平均檢出3.4個淋巴結，無1例發生示蹤劑相關副作用，再次證實分子影像術中導航前哨淋巴結安全可靠。分子影像手術導航前哨淋巴結活檢已經成功地用于胃癌［11-12］，日本在14例早期胃癌患者中通過近紅外電子內鏡導航前哨淋巴結，檢出率達到100%，前哨淋巴結預測轉移的準確率為93%，隨訪32個月后沒有患者出現復發。另一項研究入組了84例未侵及漿膜下胃癌患者，使用的是近紅外熒光染料ICG，結果顯示ICG聯合紅外線電子內鏡檢查（IREE）導航胃癌前哨淋巴結活檢的準確率是100%。分子影像手術導航前哨淋巴結活檢在泌尿系腫瘤中也有報道［13］。盡管前哨淋巴結的概念在一些惡性腫瘤并未獲得普遍認可，但是相信該技術的進步除了可以提高前哨淋巴結檢測的準確率外，還可以在完善前哨淋巴結的理論與學說方面獲得新的突破。

2 惡性腫瘤的定位與切除范圍

目前臨床上針對惡性腫瘤的定位及手術切除范圍的確定，主要根據術前體格檢查及影像學檢查的所見，外科醫生在術中結合肉眼所見和探查結果，根據臨床經驗進行綜合判斷后做出決定。這種傳統方法，會產生一定的誤差：切除范圍過小，導致癌殘留；切除過大，導致影響器官功能以及美觀。光學分子影像技術可以利用腫瘤特異性探針，能夠在分子水平上直觀精確界定腫瘤浸潤和轉移范圍。卵巢癌是婦科惡性腫瘤中死亡率最高的腫瘤，原因主要是首次發現確診時已是晚期，首選治療模式是先化療再手術，然而化療后腫瘤組織仍然會有直徑1 cm左右的殘留，如何在術中快速準確定位殘留卵巢癌細胞，使得手術能達到R0，患者生存率得到提高，曾經是困擾很多婦科腫瘤醫生的挑戰性問題。2011年，荷蘭的van Dam等［14］首次實現在人體應用分子影像手術導航惡性腫瘤浸潤和轉移范圍，他們通過術前注射FITC標記的葉酸探針，術中利用光分子影像手術導航方法快速精確定位卵巢癌及其轉移范圍，從而實施腫瘤根治手術。此外，在唾液腺癌的鼠模型中［15］，通過熒光標記的可激活細胞穿透肽（ACPP），術中更易識別腮腺腫瘤及精確判斷腫瘤的浸潤范圍，大幅縮短手術時間，延長無瘤生存時間。由于腫瘤壓迫的原因，ICG在肝癌癌組織和癌旁肝組織中會引起膽汁排泄障礙，日本利用近紅外熒光染料ICG實時動態導航肝癌肝切除術，提高肝切除的精確度，增加小肝癌或無法肉眼辨認的肝癌識別敏感性，總共入組了37例原發性肝癌及12例肝轉移性結直腸癌，在37例原發性肝癌中，利用ICG共識別了63個肝癌病灶，其中有8個結節在進行ICG導航前檢查無明顯占位，在剩下的55個結節中也存在5個假陽性結節，而在12例轉移癌中識別了28個轉移灶，術后均有病理結果確認［16］。其后，日本東京大學研究團隊將該方法應用于膽管癌的手術導航，并繼續在小肝癌的術中影像導航領域探討，可以檢測出直徑在3 mm的小肝癌，而該腫瘤需要距離肝表面8 mm以內［17］。

3 惡性腫瘤切緣的判定

惡性腫瘤術后局部復發的原因主要有：患者年齡、腫瘤體積大小、淋巴結是否累及、腫瘤手術切緣是否干凈、是否行輔助化療或內分泌治療等，其中腫瘤外科切緣狀態是最主要的危險因素。大量研究已證明，切緣陽性會明顯地增加惡性腫瘤手術后的局部復發率［18-21］。傳統的術中腫瘤切緣評價方法主要有：導絲引導腫瘤定位法、超聲引導下腫物切除法、術中鉬靶定位法及冷凍探針輔助定位法，用來保證術中切緣陰性。以上方法各有利弊，比如導絲可能發生移動，定位準確性差；超聲對鈣化不敏感，容易遺漏導管內癌組織；鉬靶無法判定小的、非鈣化組織，敏感性低。近年來，光學分子影像由于具有實時動態顯像、安全性高、操作簡便、快速、分辨率高、價格相對便宜、無放射性等優點在惡性腫瘤切緣判斷方面備受關注。

保乳手術已經成為早期乳腺癌治療的首選術式，術前常規須行MRI檢查，MRI動態增強可以初步判定惡性組織及纖維化組織；一般多發病灶的患者選擇保乳手術是比較謹慎的；而且原發病灶的確定由術前的影像學初步定位，術前常規行穿刺活檢的術后改變對大手術的定位也有一定的幫助。在臨床實踐中，一個較為普遍接受的保乳手術標準是：切除1 cm的原發灶周圍乳腺組織，獲得至少2 mm的鏡下切緣。但是迄今為止，還沒有一種檢查技術能在術中充分保證獲得安全的手術切緣寬度。2015年Ueo教授［22］等研發了γ谷氨酰羥甲基羅丹明綠（γ glutamyl hydroxymethyl rhodamine green，gGlu-HMRG）探針，γ谷氨酶（GGT）是一種過表達于各種癌細胞細胞膜的酶，在正常組織中不表達，該探針與GGT結合分裂后產生綠色熒光，給保乳手術患者術中切緣判定帶來希望。將gGlu-HMRG探針用于保乳手術后，發現在乳腺腫瘤中，從gGlu-HMRG裂解出來的熒光很容易辨別，即使是小于1毫米的病灶發出來的熒光都很明顯，與正常乳腺組織相比，該技術敏感性為92%，特異性為94%，手術時間僅需要5 min，這種方法快速、成本低且可視；但是這種方法也有不足之處，無法識別癌組織與良性病變組織如乳腺腺病或乳腺不典型增生。近年來陸續有報道利用光學分子影像技術術中實時動態導航乳腺腫瘤切除，術中根據熒光指示切除獲得安全切緣，降低切緣陽性率［23-24］。

5-氨基乙酰丙酸是一種非熒光的藥物前體，其可以使惡性膠質瘤中的熒光卟啉在細胞內聚集。2006年一項多中心臨床隨機對照Ⅲ期臨床試驗結果證實：惡性腦膠質瘤手術中，通過熒光標記的5-氨基乙酰丙酸術中導航完整切除腫瘤，能延長患者無進展生存期（PFS），這是目前唯一發表的證實術中使用熒光導航手術切除腫瘤可以提高患者無瘤生存的研究［25］。

4 神經等功能保護

外科手術中的神經等功能保護至關重要，如果術中誤傷重要神經，會導致麻木、疼痛甚至癱瘓，對患者的生存及生活質量造成重要影響，通常外科醫生術中主要通過判斷神經的顏色及與伴行血管組織等關系或電刺激來識別神經，但是一些小神經或比較深的神經通過上述方法會遺漏。2011年Wu等［27］通過注射熒光標記的能優先結合神經的噬菌體多肽

至鼠體內2 h后，所有的末梢神經均清晰顯示，持續時間可達8 h，該探針非常有利于外科醫生修復受損神經或預防術中誤傷神經，已成功用于人體手術中［26］。同年在面神經保護方面也有類似研究，將熒光標記的NP41多肽注入鼠體內后，非常清晰顯示面神經及其小分支。但是目前神經特異性的相關探針很少，開展的臨床試驗例數有限，相信未來神經特異性探針會更加豐富，其應用也會更廣泛，如喉返神經、支配直腸括約肌神經等。

5 結語和展望

光學分子影像學從提出概念至今短短十幾年的時間里，發展迅速，取得了巨大的進步。除了在惡性腫瘤示蹤以及療效評價等方面的應用外，還可應用于各種惡性腫瘤的手術導航如前哨淋巴結活檢、腫瘤范圍的確定、術中手術切緣的判定以及臟器功能的保存。值得一提的是，光學分子影像技術可以實時、動態地檢測前哨淋巴結，避免盲切，精確顯示腫瘤浸潤及轉移范圍，避免癌殘留，術中保護神經，還可以使手術切緣既安全又最大限度保留正常組織。

但是現階段仍然存在很多問題有待進一步解決：首先，提高探針敏感性、親和性及靶向性和設備的性能，使成像更清晰、敏感、特異，促進多模態診療一體化平臺的構建，具體包括生產腫瘤特異性探針如：肺癌特異性、前列腺癌特異性、乳腺癌特異性、消化道腫瘤特異性探針，包括靶向淋巴結或靶向神經等，保證對患者及操作者的安全；其次，基礎研究盡快轉化為臨床應用，篩選出更多的特異性高的多肽或多肽類似物，改善探針識別靶點的能力；最后，快速從實驗室的動物模型過渡到臨床實踐中的人體手術中，推廣光學分子影像在人體惡性腫瘤手術導航中的應用。相信在不久的將來，光學分子影像在惡性腫瘤的手術導航中具有更廣闊的應用前景。

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（2016-09-19收稿）

（2016-10-19修回）

（編輯：鄭莉校對：武斌）

Optical molecular imaging guided surgical navigation for cancers

Lifang HE1,Wenhe HUANG1,Guojun ZHANG1,2
1The Breast Center,Cancer Hospital of Shantou University Medical College,Shantou 515041,China;2Changjiang Scholar's Laboratory, Shantou University Medical College,Shantou 515041,China
This work was supported by Major International Collaborative Research Project(No.81320108015),Guangdong Provincial Key Laboratory on Breast Cancer Diagnosis and Treatment Research(No.2060299),and National Natural Science Foundation of China(No. 31271068)

Guojun ZHANG;E-mail:guoj_zhang@yahoo.com

Optical molecular imaging is a non-invasive technology that utilizes biological autofluorescence and luciferase probes to monitor molecules and molecular pathways.In recent years,the simple,non-invasive,real-time,highly sensitive,and low-cost applications of optical molecular imaging have been extensively utilized in the medical and life science fields.Optical molecular imaging research studies commonly use fluorescent probes that contain luciferase,green fluorescent protein,and indocyanine green,a near-infrared fluorescent dye.Given that surgery is a main therapeutic strategy for solid tumors,imaging-guided surgery provides new insights on the precise resection of cancerous tissues.In particular,considerable attention is focused on developing dynamic and realtime sentinel lymph node(SLN)navigation to determine the extent of tumor resection and secure free tumor margins.In this article, we review the applications of intraoperative optical molecular imaging as a surgical navigation technology.These applications include, but are not limited to,accurately identifying SLNs,detecting tumor margins,and determining the extent of tumor resection.

optical molecular imaging,cancer,tumor margins,surgical navigation

10.3969/j.issn.1000-8179.2016.21.323

①汕頭大學醫學院附屬腫瘤醫院乳腺中心（廣東省汕頭市515041）；②汕頭大學醫學院長江學者實驗室

＊本文課題受國家自然科學基金重大國際（地區）合作研究項目（編號：81320108015），廣東省實驗室體系建設專項資金（編號：2060299）和國家自然科學基金（編號：31271068）資助

張國君guoj_zhang@yahoo.com

賀麗芳專業方向為乳腺腫瘤診斷治療。

E-mail：hlf413@163.com