|
第一作者：Zhenhua Hu、Cheng Fang、Bo Li、Zeyu Zhang通讯作者：田捷、Zhen Cheng、Sanjiv Sam Gambhir在近红外窗口I（NIR-I，700-900nm）中的荧光成像具有许多优势，特别是高时空分辨率，这是其他成像方式无法提供的。除了几种常规的小分子NIR染料（如亚甲基蓝，荧光素钠和吲哚菁绿（ICG））已获得FDA批准用于常规临床使用外，许多分子靶向荧光探针已被开发并正在进行积极的临床评估中，如叶酸受体α靶向荧光探针叶酸-FITC，与靶向c-MET光学探针GE-137和靶向表皮生长因子受体探针CetuximabIRDye800CW。因此，NIR-I荧光成像是用于临床应用的有前景的方法。尽管NIR-I成像比可见光波长下的成像性能要好，但是光学成像研究的最新进展表明，通过在第二个NIR窗口（NIR-II，1,000-1,700nm）中进行检测，可以更好地提高活体的成像质量。这主要归因于组织自体荧光减弱、光子散射减弱以及较长波长的光子吸收水平较低。在使用NIR-II窗口时，包括对厘米组织的光探测、毫米深度的微米分辨率和高对比度，这些性能得到显著提高且可以实时实现。尽管已经开发了多种NIR-II光学探针，包括纳米粒子，有机聚合物和小分子染料，但尚未在临床中进行测试，这主要是因为缺少合适的成像仪器和光学探头。最近，已经发现常规的NIR-I染料ICG和IRDye800CW在NIR-II窗口中显示出尾荧光，并且ICG还被证明适用于小动物模型中的高性能NIR-II成像。这些发现为NIR-II影像的临床转化铺平了道路。有鉴于此，中科院自动化研究所田捷研究员和斯坦福大学Sanjiv Sam Gambhir, Zhen Cheng等人开发了一种集成可见光和NIR-I/II多光谱成像仪，并在不同的红外窗口下对其在人体和动物研究中的成像性能进行了表征。还报道了23例肝癌患者注射ICG后的可见光、NIR-I和NIR-II多光谱成像的首次人体研究，并比较了每例患者的NIR-I窗口和NIR-I窗口的成像性能，评价NIR-I和NIR-II引导手术在临床上的应用潜力。
NIR-II荧光成像的肿瘤与正常组织比率（TNR）或肿瘤背景比（TBR）显着高于NIR-I荧光成像的。且NIR-II成像显示出比NIR-I更高的肿瘤检测灵敏度和阳性预测值。所有这些比较强烈表明，在临床术中肝癌成像和图像引导手术中，NIR-II成像比NIR-I更好。值得注意的是，NIR-I成像时是需要关灯的，而使用NIR-II成像的另一个优点是它符合手术室照明的环境。NIR-II成像的这一功能为临床应用提供了便利和可行性。
图2. 原发性肝癌，肝内转移或肝外转移患者的术中NIR-II / I成像
与目前的术前影像学检查（超声，MRI，CT）和术中影像学技术（超声）相比，该研究表明手术中基于ICG的NIR-I/II荧光成像可以检测到没有明显影像学特征的肿瘤病变。剖腹手术后，术中NIR-I / II荧光成像能够检测术前成像方式遗漏的病变，从而可以大大提高患者分期和治疗的准确性。
图3. 术中NIR-I / II荧光图像引导的肿瘤切除将ICG用于NIR-I / II荧光成像有一些局限性，因为ICG是一种非靶向探针，它不能区分良性肿瘤和恶性肿瘤，并且其在其他组织中的积累可能导致假阳性。希望使用专门设计的靶向探针可以进一步提高NIR-II成像的性能。另外，尽管目前几种基于IRDye800CW的探针是应用于NIR- I成像的，但它们仍能够产生NIR-II荧光。因此，这些染料可以与靶向肿瘤的生物分子（例如单克隆抗体或肽）结合用于NIR-II成像，可以拓宽多光谱成像系统在癌症和其他疾病检测中的应用。
综上所述，研究人员开发并应用了一种高灵敏度和高分辨率的可见光和近红外多光谱成像仪，用于癌症患者术中近红外成像。研究表明，NIR-II成像在临床上比传统的NIR-I成像更具优势，从而突出了术中NIR-I荧光成像和NIR-II图像引导手术的潜在临床应用价值。Hu, Z., Fang, C., Li, B. et al. First-in-human liver-tumour surgery guided by multispectral fluorescence imaging in the visible and near-infrared-I/II windows. Nat Biomed Eng (2019)doi:10.1038/s41551-019-0494-0https:///10.1038/s41551-019-0494-0
|
