使用非标记定量光学成像技术去除脑癌

巴尔的摩约翰霍普金斯大学的李兴德博士及其佛罗里达州梅奥诊所的合作者阿尔弗雷多·奎尼翁斯·希诺霍萨博士为近30年前开发的生物成像方法赋予了新的生命。 通过将这种方法的特性与癌性和健康的脑组织的生理特性相结合,他们正在解决脑癌治疗的最大长期问题-有效,成功和安全的手术切除。

脑癌的预后较差。 归根结底,有两个事实,它是致命的:它破坏了大脑的功能组织,并且在不伤害正常口才的脑组织的情况下很难进行脑癌手术。

脑外科手术–出了名的麻烦在脑外科手术期间,神经外科医师面临着古老的斗争:这种“斗争”源于在最大程度地减少脑损伤的同时,要尽可能多地切除脑癌组织。

该图像捕获了该技术的翻译性质,并且包括从高级脑癌患者获得的OCT成像探针(指向重建的术前MRI图像中所示的感兴趣区域)和3D光学特性图。
©Carmen Kut,Jordina Rincon-Torroella,AlfredoQuiñones-Hinojosa,李兴德

研究表明,通过磁共振成像(MRI)等影像学检查发现,成功切除病变的患者生存率可提高160-200%。 但是,与无手术并发症的患者相比,经历手术后缺陷的患者的生存率要低25%,而与切除程度无关。 因此,尽管外科医生必须设法去除整个癌性病变以提高生存率,但任何外来组织损伤实际上都会降低生存率,因此必须将其减至最少。

最常见的原发性脑癌称为胶质母细胞瘤-遍布整个大脑的神经胶质细胞癌。 用现有技术无法对癌组织和正常组织之间的边界进行术中分析和可视化,但脑外科手术仍是最有效的治疗形式,对于改善这类脑癌患者的预后至关重要。 考虑到这一点,至关重要的是,手术中使用的成像技术必须坚固且准确。 尽管目前的技术(例如MRI,超声和荧光标记)已为切除手术的准确性做出了贡献,但每种技术都有其功能上的优缺点,并且通常很麻烦,侵入性,昂贵甚至在生理上不切实际。

光学相干断层扫描是一种非常有效的生物成像技术,它利用光来反射目标材料变化的光密度。

在程序上放光光学相干断层扫描(OCT)是一种基于类似于超声原理的有效生物成像技术,它利用与声波相反的光来反射目标材料变化的光学密度。 OCT最初用于研究视网膜,已被用于对包括胃道,冠状动脉,乳腺组织在内的许多器官进行成像,而最近它已被用于对大脑进行成像。 OCT已用于2D和3D成像
由于它具有非侵入性,具有成本效益的性质以及能够实时生成3D图像的能力,因此它是一种可用于外科手术指导的有吸引力的方法。 与超声成像(还具有3D和实时数据功能)相比,OCT的分辨率要好得多(0.04 vs 0.3 mm3),但局部视场(8-16 vs 12,500 mm3)。

OCT的应用和进展 Xing Li博士和AlfredoQuiñones-Hinojosa博士站在发展这一重要且有希望的术中外科手术成像技术的最前沿。 他们通过评估OCT的范围来区分癌性和非癌性脑组织,从而将研究进一步发展。 这突出了OCT在临床应用中的重要性和潜力,Li博士和Alfredo Quinones-Hinojosa博士最近获得了美国国立卫生研究院(NIH)的资助,以进一步开发这种术中使用的方法。

Li博士和Quiñones-Hinojosa博士在2015年进行的初步研究中报告说,与超声检查相比,OCT可以区分癌组织和非癌组织,其敏感性和特异性大大提高。 这些结果是通过对患有癌性和非癌性(癫痫性)脑病的患者的脑组织进行研究,以及对植入了人类患者的胶质母细胞瘤细胞系的小鼠进行的体内研究确定的。

通过评估和比较OCT光源投射的信号减少水平, 区分好,坏和丑陋的 OCT可有效区分癌组织和健康的脑细胞。 换句话说,OCT信号衰减了多少取决于所涉及的组织(即癌细胞,白质或灰质)。 李博士和他的团队发现,癌细胞的光衰减比白质降低的更多,而灰质(较暗的脑组织)比癌细胞的降低,从而可以使用OCT区分所有三个组织。 在癌症核心区和浸润区之间未观察到明显区别,从而可以对手术中需要切除的患处进行全面的综合观察。

李兴德博士的小组开发了一种家用的高速OCT成像系统,可对人脑癌组织进行无标签,实时和定量成像,而AlfredoQuiñones-Hinojosa博士的小组则提供了临床专业知识和新颖的动物模型,包括使用源自患者的脑肿瘤启动细胞系(BTIC)植入人类脑肿瘤的啮齿动物。 ©卡门·库特(Carmen Kut),习洁峰,乔迪娜·林孔·托雷埃拉(Jordina Rincon-Torroella),阿尔弗雷多·奎尼奥斯(AlfredoQuiñones-Hinojosa),李兴德

由于白质内存在髓磷脂(灰色物质看不见),并且髓磷脂通过浸润癌细胞而降解,因此OCT信号衰减在这些组织类型中会有所不同。 髓磷脂的存在决定了信号衰减的不同程度,这是三种组织类型的明显趋势。 对于8-16 mm3的体积,OCT数据可以以每秒大约100-200帧的速度获取,处理和显示,只需一到两秒钟。 这些因素表明,它代表了一种可靠且可靠的方法,可以实时查看脑组织中的癌症,而几乎没有其他病理变量引起的问题性干扰。 信号衰减的程度可以在成像的组织体积的表面上以红色(癌)和绿色(非癌)进行颜色编码,从而为外科医生提供直接的视觉提示,以便实时切除。 这项工作的结果表明,OCT提供了一种独特的定量方法来实时评估组织类型(癌症,灰质,白质),从而消除了神经外科医生在决定手术期间应去除哪些部位时做出解释的需要。

向前和向上李博士和Quiñones-Hinojosa进行的当前研究旨在继续系统地评估OCT在脑癌成像中的准确性和临床意义。 总体,
使用OCT观察高,低度神经胶质瘤,已经从体内大约60个人类患者大脑中提取了离体组织样本。 还使用这些组织样本作为“金标准”对大脑组织进行了组织学分析,将从OCT采集的数据与之进行比较。 反过来,这使得能够对OCT的准确性和信息潜力进行统计评估。

Li博士和Quiñones-Hinojosa博士的工作表明,光学相干断层扫描技术提供了一种独特的定量方法,可以在脑部手术过程中实时直观地评估脑组织类型。

Li博士和Quiñones-Hinojosa计划改善脑外科手术中胶质瘤成像和术中成像的OCT方法。 他们计划完善诊断信号衰减阈值,以区分组织类型以及收集和投影数据图像的速度,从而改善脑癌OCT成像的时空参数。 因此,李博士和他的团队希望进一步在手术室中与患者一起开发和验证OCT数据中脑组织的彩色编码图,以区分灰质,白质和癌症。 这将为神经外科医生提供视觉提示,以定量,可靠和强大地指导其癌症切除过程-大大提高了手术技术的有效性和患者的治疗效果。

这是一种非常令人兴奋的方法,其实践无疑将导致脑癌切除术的进一步发展。 还将对信息进行更深入的分析,以突出显示如何最有效地利用数据,其中一个例子是与血管的主要距离-防止在手术期间出血或与中风相关的并发症。 李博士和Quiñones-Hinojosa基于离体人类脑癌组织和体内小鼠脑癌模型影像学研究的积极初步结果,最近启动了在人类脑外科手术中使用OCT的试验程序,这是该技术的突破性一步。手术指导方法。 近期的计划包括在30例低度神经胶质瘤患者和30例胶质母细胞瘤患者中使用术中OCT。 这些先导研究中产生的数据不会影响临床决策或护理标准,并且认为对患者的风险很小。

OCT为外科手术中指导脑癌组织切除提供了一种实时,非标记,经济高效的方法。 毫无疑问,李博士和基尼昂斯·希诺霍萨博士及其合作者的发现将为癌症患者的治疗,大脑的预后以及其他方面打开许多大门。