双通道近红外荧光助力肺癌边界的精准可视化

2024-06-11 Tue
利用肿瘤边缘可视化的双通道近红外荧光实现精准安全的肺段切除术肺癌是全球癌症相关死亡的主要原因。据统计，自从应用计算机断层扫描筛查技术以来，肺癌的早期检测率大大提高，从而显著降低了死亡率。研究显示，近年来早期非小细胞肺癌（Non-Small Cell Lung Cancer, NSCLC）的发病率显著上升，其三年生存率从21%提升到了31%。对于早期NSCLC或心肺功能受损的患者，精准的有限切除手术如肺段切除术，不仅可以提高整体生存率，还能更好地保留肺功能。肺段切除术的成功关键在于术中同时识别癌组织和肺段面。然而，由于高背景信号和成像探针血清稳定性差等问题，准确识别手术边缘面临挑战。
本文主要研究了一种新的方法，即采用双通道近红外荧光成像技术，通过可清除肾脏并具备良好理化稳定性的靶向荧光染料，来分别以不同颜色清晰地在手术过程中辨别肿瘤和肺分段面，从而实现精准的肺段切除术。文章发表在《International Journal of Surgery》上，研究由来自韩国大学Guro医院胸外科、波士顿马萨诸塞州总院影像中心、沈阳药科大学等机构的研究人员合作完成。本文的主要作者包括Ok Hwa Jeon、Kai Bao、Kyungsu Kim等，哈佛医学院的Hak Soo Choi和韩国大学的Hyun Koo Kim为通讯作者。
研究背景与目的肺段切除术是由于其能最小化正常组织移除而被推荐应用于非常早期肺癌或功能受损患者的一个有限切除手术。然而，术中精准检测肿瘤并同时识别肺分段面是非常困难的。本文作者希望通过开发一种新的双通道近红外荧光成像技术，在手术过程中实现不同颜色的清晰可视化，从而解决这一难题，并提高手术的成功率，降低复发率。
研究方法研究设计研究采用了小鼠、兔和犬的肿瘤动物模型，开发了700 nm和800 nm两个通道近红外荧光染料，并在体外和体内评估了其生物分布、肿瘤靶向能力及光学和生物学特性。研究共分为以下几个步骤：
荧光染料的开发与表征：
使用常规N-羟基琥珀酰亚胺酯化学合成了crgdyk与zw800-PEG的结合物（crgd-zw800-PEG），并评估其理化性质、血浆蛋白结合亲和力及细胞毒性。
开发700 nm发射的zw700-1c, 并与800 nm荧光染料进行组合使用。
细胞实验：
在NSCLC细胞系中评估荧光染料的细胞靶向能力和内化作用，检测肿瘤组织和对照组织中整合素αvβ3的表达水平。
动物实验：
在肿瘤动物模型中，通过静脉注射crgd-zw800-PEG，评估其生物分布、药代动力学和清除特性。
针对肿瘤位置和不同剂量进行最佳药物剂量和时间点的优化，最终在犬模型上评估分段面识别的能力。
研究对象细胞样本：使用NSCLC细胞系进行体外细胞实验；通过分析患者癌症及其正常对照组织中整合素αvβ3的表达验证靶向性。
动物样本：使用小鼠、兔和犬作为体内实验模型，评估荧光染料的靶向性和生物分布。
结果理化性质与光学特性化学合成的crgd-zw800-PEG在水溶性和血清稳定性方面表现优异，且其光学发射波长红移，适合手术室使用的近红外荧光成像仪。
crgd-zw800-PEG的目标特异性显示出优越的肿瘤信号（TBR）；相较于FDA批准的近红外荧光探针ICG（吲哚菁绿），crgd-zw800-PEG靶向性更高，且其信号在大多数溶剂中的溶解性更好。
细胞实验结果体外细胞实验显示，crgd-zw800-PEG在整合素αvβ3高表达的NSCLC细胞中显示了优越的靶向结合能力，并且在非肿瘤细胞中的毒性较低。
实验结果表明，在61例NSCLC患者样本中，整合素αvβ3在癌组织中的表达显著高于正常组织，其在肺腺癌和肺鳞癌中均高度表达，说明crgd-zw800-PEG的靶向有效性和临床适用性。
动物实验结果在小鼠肿瘤模型中注射crgd-zw800-PEG后，荧光探针显示出优越的肿瘤靶向信号和清除特性，其TBR显著高于ICG和zw800-PEG，并且显示出较长的血液半衰期。
在兔VX2肿瘤模型中，使用0.1 mg/kg剂量的crgd-zw800-PEG达到了最佳的肿瘤靶向信号，同时展示了高TBR值。
在犬模型上，静脉注射0.3 mg/kg剂量的zw700-1c和zw800-PEG后，肺段面识别效果良好，且信号持续时间更长，适合手术引导。
研究结论本文开发了一种新颖的双通道近红外荧光成像技术，结合血液池剂zw700-1c和肿瘤靶向剂crgd-zw800-PEG，实现了肿瘤和肺段面的同时识别，为术中精准安全的肺段切除术提供了新方案。该方法不仅可减少手术时间和复发率，还能提高癌症患者的生存率。未来可能具有显著的临床应用价值，尤其是在肺癌手术中进行图像引导的精确切除。
重要性与应用价值本研究的开展不仅解决了肺段切除术中同时识别肿瘤和肺段面的问题，还首次展示了通过双通道近红外荧光成像实现的更高肿瘤靶向性和更长信号持续时间，为未来的临床术中图像导航提供了新的思路和技术。
通过本研究的技术，术中肿瘤与肺段的可视化可以显著提升手术的精确度和安全性，降低患者术后复发率并提高存活率。此外，由于双通道近红外荧光成像具有广泛的应用前景，不仅在肺癌手术中，也可以在其他类型的手术中得到应用。