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荧光显像技术在泌尿外科的应用.pdf

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资源描述

1、外科研究与新技术 2023 年6 月第 12 卷 第 2 期 荧光显像技术在泌尿外科的应用汤开然,韩邦旻上海交通大学医学院附属第一人民医院泌尿中心,上海 200080摘 要 荧光引导手术(fluorescence-guided surgery,FGS)这一技术因其分辨率高、安全性好、可操作性强等优势,正被逐步应用于临床实践,尤其在泌尿外科领域。本文旨在阐述荧光显像技术的基本原理与发展历程,并讨论荧光示踪剂在泌尿外科领域应用的现状与发展前景。大力发展荧光引导手术的新兴技术,将有效提高外科手术切除病灶的准确性,同时减少术后不良反应,这一举措有利于促进精准医疗目标的实现。关键词 荧光显像技术;荧光引

2、导手术;泌尿外科中图分类号 R69 文献标志码 A 文章编号 2095-378X(2023)02-0081-05 doi:10.3969/j.issn.2095-378X.2023.02.001Application of fluorescence imaging in urologyTANG Kairan,HAN BangminDepartment of Urology,Shanghai General Hospital Affiliated to Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200080,ChinaAbs

3、tract Fluorescence-guided surgery(FGS)is a technique that is applied in clinical practice progressively,especially in the field of urology,due to the advantages of high resolution,safety,and operability.The review is aimed at explaining the basic principles and development history of FGS,and discuss

4、ing current status and prospects of fluorescent tracers in urology.The emerging technology of FGS can help effectively improve the accuracy of surgical resection of lesions while reduce postoperative adverse effects,contributing to achieving the goal of precision medicine.Key words Fluorescence imag

5、ing technology;Fluorescence-guided surgery;Urology近年来,随着内窥镜与机器人技术在泌尿外科领域的快速发展,大多数泌尿系统器质性疾病都可以通过外科手术方式进行治疗。然而,手术治疗效果首先有赖于对原发病灶的精准定位,其次是对是否存在局部或远处转移灶的正确判断,而后还需要在不伤害病灶周围重要组织的前提下切除病灶。之前,外科医师一般通过术前影像定位,结合术中视觉的解剖标志对病灶进行定位,如血管、肌肉与骨骼等。而如今,随着荧光引导、超声引导、X线摄片等实时成像技术逐步应用到术中,临床医师在手术当中对病灶的定位越来越精准,不再仅仅依赖于手术者视觉与触觉的主

6、观感受,极大程度上促进了外科手术的治疗效果1-3。其中,荧光引导手术(fluorescence-guided surgery,FGS)作为一种新兴技术逐渐走进人们的视野,因其分辨率高、对人体无辐射、对病灶无影响,因此在外科手术中得到广泛的应用。本文将系统性回顾 FGS技术的基本理论与发展历史,具体阐述其在泌尿外科方面的临床应用,并分析FGS的发展前景与未来热点方向。1 荧光显像的原理与发展过程 荧光是发光的一种形式。荧光引导手术则是利用物质的荧光特性,在外科手术时将外源性荧光示踪剂通过静脉注射、局部灌注、器官腔内灌注等 述评 作者简介 汤开然(1999),女,博士研究生在读,从事临床泌尿外科工

7、作通信作者 韩邦旻,电子信箱:81Surg Res N Tech Vol.12,No.2,June 2023方式汇聚到病灶组织处,而后荧光成像系统可以发出特定波长的激光,激发体内荧光示踪剂发出荧光并被荧光成像系统摄取识别,从而可以分辨病变组织与正常组织,实时指导外科手术的定位4。关于FGS的历史起源可以追溯到20世纪20年代,当时的研究者发现肿瘤组织能够发射自体荧光,然而自体荧光的强度十分微弱,不足以支持引导外科手术。之后的几十年,人们开始寻求合适的外源性荧光物质,增加肿瘤组织的荧光强度,从而更精准地识别肿瘤组织范围,提高传统手术的准确性。1948年,Moore等5发现一种名为荧光素的物质在4

8、00 nm波长光源的激发下可以发出黄绿色荧光,同时,他在该荧光的引导下进行了颅内恶性肿瘤的切除。1957 年,研究者发现一种名为吲哚菁绿(indocyanine green,ICG)的新型荧光物质,ICG在波长为700900 nm的近红外光的激发下能够发射出荧光6。由于ICG无放射性且无毒性,同时相比其他荧光染料有更好的组织渗透性,且能够与白蛋白结合并快速通过肝脏代谢,半衰期仅34 min,因此是术中实时成像的理想试剂,之后在外科手术中得到了广泛的应用7-8。随着荧光显像技术在外科手术方面的进一步发展,人们逐渐发现单独使用荧光染料缺乏组织结合特异性,因此研究者开始提出一种靶向FGS的新概念,这

9、一概念首先适用于肿瘤领域,即将荧光染料与肿瘤特异性的药剂相组合,使该复合物能与肿瘤组织更精确地结合在一起,从而更准确地显现肿瘤组织的位置9。2 FGS在泌尿外科的应用 经过数十年的探索,研究者已经发现了几种理想的荧光示踪剂,包括美国食品与药品监督管理局(FDA)批准的原卟啉(protoporphyrin,Pp)的两种前体物质,5-氨基酮戊酸(5-aminolevulinic acid,5-ALA)和 氨 基 酮 戊 酸 己 酯(hexaminolevulinate,HAL),以及荧光素钠(fluorescein)和 ICG。此外还有金丝桃素(hypericin)和 ICG-99mTc-Nano

10、Coll 两种荧光示踪剂,它们虽然尚未被FDA批准,但也正在泌尿外科相关研究中10。这些荧光示踪剂有不同的荧光特性,比如不同的工作波长与量子效率,因此在手术中也适用于不同的靶目标。随着新型荧光物质的不断发现与外科手术的不断革新,荧光示踪剂在泌尿外科领域的应用也日益广泛,不仅可以用于术中辅助诊断并识别肿瘤范围,还可以进行淋巴结示踪,此外可以参与泌尿道畸形或外伤的诊治,最后还能在泌尿肿瘤的治疗方面发挥辅助作用。2.1荧光显像用于术中辅助诊断并识别肿瘤范围2.1.1术中识别膀胱肿瘤范围5-ALA是血红素生物合成的起始物质,而其中间产物是具有荧光特性的Pp。当外源性5-ALA增加时,由于肿瘤细胞中AT

11、P结合盒转运体和相关转化酶的过度表达,5-ALA会被迅速捕获到肿瘤细胞的细胞质中,从而导致内生的Pp在肿瘤细胞的线粒体中大量累积,Pp在蓝光照射下会被激发,从而发出红色荧光。因此5-ALA有较强的肿瘤特异性,常用于辅助诊断肿瘤或术中识别肿瘤边界,尤其适用于膀胱肿瘤11。目前,有不少临床研究均显示与白光相比,5-ALA辅助诊断膀胱肿瘤的灵敏度较高,特异度较低,额外肿瘤的检出率较高,同时有助于检测膀胱镜下看不见的病变,包括微小病变、脂肪病变与发育不良等12-14。近期有研究将 5-ALA 与窄带光成像(narrowband imaging,NBI)作比较,发现与NBI相比,5-ALA可将膀胱癌的检

12、测率提高10%以上,尤其有助于检测出原位癌(carcinoma in situ,CIS)15。而 Denzinger 等16进行了一项为期 8年的前瞻性临床研究,发现在191例TURBT术后的膀胱肿瘤患者中,术中辅助使用5-ALA的患者与传统白光下行手术的患者相比,前者的无复发生存率明显升高。这说明5-ALA不仅可用于膀胱癌的诊断,还可用作术中导航确定膀胱肿瘤边缘,从而避免不精确的肿瘤切除,降低术后膀胱癌复发率。2.1.2前列腺癌根治术中导航在前列腺癌根治术中需要完整地切除癌变的前列腺组织,若遗留下阳性的手术切缘,则会增加前列腺癌的生化复发与疾病进展17。Fukuhara等18指导52例手术患

13、者口服5-ALA溶剂,通过荧光显像观察根治性前列腺切除术中的手术切缘状况,包括手术范围内的尿道、膀胱和直肠组织等。而后,研究者发现有1例患者的前列腺边缘均呈现红色荧光阳性,而该标本在病理组织学上也被确认为Gleason评分6分。此外他们还在荧光辅助下在切除的前列腺组织的分割面上获得了141个活检样本,研究得出5-ALA荧光对于前列腺切缘诊断的灵敏度与特异度为 75%与 87.5%。这说明使用 5-ALA 指导前列腺癌根治术是可行的,其对检测前列腺癌细胞有较高准确度。除5-ALA可用于术中指导之外,仍有其他荧光82外科研究与新技术 2023 年6 月第 12 卷 第 2 期 染料也可应用于前列腺

14、癌根治术中,比如 ICG等。Mangano等19研究者也进行了一项临床研究,发现在机器人辅助下前列腺癌根治术或腹腔镜下前列腺癌根治术中,均可以通过静脉注射ICG进行血管神经束(neurovascular bundle,NVB)的实时荧光显影,且没有发生静脉注射ICG相关的并发症。这有助于医师在手术中识别并尽可能保留紧贴前列腺组织的NVB,从而助力患者术后勃起功能和尿控功能的恢复。2.1.3术中识别肾肿瘤范围由于肾单位具有不可再生性,因此进行肾肿瘤手术时既要尽可能遵守无瘤原则,还要注意肾实质功能的保留,从而在降低术后肾癌复发率的同时,尽量避免术后发生慢性肾功能不全。在一项临床实验中,Diana等

15、20研究者通过术中静脉注射ICG来评估肾脏组织的血流灌注情况。他们发现在静脉注射ICG后,患者的肾癌组织呈低荧光,而正常组织呈现超荧光,可由此辨别肾脏肿瘤的边缘。同时手术者还可以选择性夹闭肿瘤供血动脉,使灌注不足的相关区域呈暗区。在复杂的肾部分切除术中,通过辨识肿瘤区域与肾脏缺血范围,可达到肾脏肿瘤的精准切除,同时能够减少术中出血,保护健康肾脏组织的血流灌注。然而ICG在肾部分切除术实践中的作用仍存在争议,因为目前尚未有研究证实术中采用ICG后可以显著减少手术并发症的发生,或降低切除组织的边缘阳性率。Simone等21发现,ICG显像尤其适用于体积较小的完全内生性肾脏肿块的切除术,此类肾脏肿块

16、在术中识别和解剖切除方面均具有挑战性。在该研究中,手术者向肾动脉内注射碘化油-ICG混合物来标记肾内肿瘤,从而能够在术中快速识别肿瘤,并实时监测肿瘤切缘情况,简化手术复杂性。同时,该研究表明ICG显像技术具有一定安全性。2.1.4术中识别肾上腺肿瘤范围在肾上腺部分切除术中,同样可以应用ICG成像。有学者发现,在暴露腹膜后层面时可静脉注射ICG,这会使血供丰富的肾上腺组织显现强烈的荧光,与周围的脂肪组织形成对比,从而有助于术者分清肾上腺的位置与边界。而在肾上腺部分切除后,术者可第二次静脉注射ICG来评估剩余肾上腺组织的血运情况,从而达到既精准切除肿瘤,又同时保留部分肾上腺的功能22。而Colvi

17、n等23做了类似研究,他们发现静脉注射 ICG 后,在荧光显影5 min时肾上腺肿瘤组织与腹膜后脂肪组织的区分度最为显著,且该组织可持续显影20 min,这有利于肾上腺肿瘤定位与切除。2.1.5术中识别阴茎肿瘤范围目前临床上针对阴茎癌普遍采用激光治疗。然而对于年轻患者而言,在尽量降低肿瘤复发的同时,保留阴茎的外观与性功能也十分重要,此时荧光显像即可以在激光手术中发挥作用。有学者对此展开研究,对26例阴茎癌患者进行5-ALA荧光引导下的激光治疗,平均随访 6 年后发现仅有 4 例(15.4%)患者发生局部复发,且其中3例均发生于术后3年以上,同时没有观察到荧光在围手术期的不良反应。该研究表明,在

18、荧光引导的作用下,可降低阴茎癌激光治疗的局部复发率,同时尽可能保持阴茎部位美观并保留性功能24。2.2荧光染料作为淋巴结示踪剂在ICG荧光染料被批准使用后,研究者们先后将荧光显像应用到示踪淋巴结方面。Yuen等25研究者在直肠超声的引导下,将ICG注射到66例前列腺癌患者的前列腺组织中,并通过术中荧光显像在65例(98%)患者中看到淋巴管,64例(97%)患者中看到前哨淋巴结。这提示在前列腺组织中直接注射ICG对淋巴结与淋巴管的显现具有高灵敏度,该方式在技术上可行,且尚未发现不良反应。而国内的高新教授团队也致力于荧光染料作为淋巴结示踪剂的研究。他们曾对25例前列腺癌根治术后通过68Ga-PSM

19、A PET/CT诊断淋巴结复发的患者,行荧光显像腹膜后淋巴结清扫术。他们在术前先予患者静脉注射ICG,手术时在荧光模式下检测盆腔淋巴结,并对荧光阳性淋巴结进行清扫与送检。术后发现,在荧光显像的引导下可以缩小手术范围,减少术中并发症的发生,同时将获得更高的术后 PSA反应率与更低的癌症复发率26。此外他们还曾尝试在直肠膀胱间隙注射ICG进行荧光显像,发现在显示淋巴结复发方面相较不如静脉注射。由于前次手术区域粘连,且可能存在局部淋巴结阻塞而导致淋巴回流受阻,这样的注射方式仅能显示III和IV级淋巴结27。2.3荧光显像辅助泌尿道外伤或畸形的诊治通过ICG进行术中尿路造影,可以检查有无输尿管瘘与输尿

20、管畸形,并指导输尿管重建术,同时还可及时诊断膀胱破裂与膀胱畸形。另外可应用于术中实时检查尿道的连续性和完整性,以避免尿道损伤。北大周利群团队致力于研究ICG与复杂上尿路修复手术。他们将ICG溶液经患者的患侧肾造83Surg Res N Tech Vol.12,No.2,June 2023瘘管注入并流至输尿管中,之后输尿管可以显示特定的荧光,通过荧光可以确定病变输尿管位置,而后进行输尿管狭窄段的分离与尿路修复28。2.4荧光显像用于辅助治疗荧光显像除用于辅助诊断与术中导航外,还可用于前列腺癌等病灶的辅助治疗,这被称为光动力疗法(photodynamic therapy,PDT)。PDT 疗法基于

21、光化学反应,可以通过低能量的方式选择性地诱导癌细胞凋亡,而不损伤周围正常组织17。2003年,Dirk等29利用ALA-PDT治疗14例前列腺癌,术后6周后患者的PSA下降20%70%,且未发生不良反应。近年来,有研究者尝试使用血管活性药物帕利泊芬介导PDT治疗前列腺癌,发现有49%74%的患者术后6个月的前列腺活检提示阴性30-32。他们针对帕利泊芬介导PDT进行进一步的RCT研究,发现针对低风险的前列腺癌,采用PDT治疗的患者术后2年的临床进展率为28%,而对照组为58%,这为未来低风险前列腺癌的治疗提供了一种新思路32。3 总结与展望 随着荧光显像技术的迅速发展,它在医学领域的应用日益广

22、泛,但大致可以分为以下五类。其一是用于实体瘤术中保证手术切缘阴性;其二是用于肿瘤手术中识别并保留重要解剖结构;其三是应用于减瘤手术中,在不损害重要解剖结构的前提下尽可能减少肿瘤负荷;其四可用于识别临床上隐匿的病变,如多灶性或多中心性的肿瘤、前哨淋巴结转移等;最后还可用于光动力疗法对某些肿瘤病灶进行局部辅助治疗。然而,目前关于荧光引导手术的临床研究仍具有局限性。首先,多数早期FGS的临床实验均聚焦在荧光显像的诊断性能上,但其结局指标并不能全面证实FGS的临床效益。其次,目前针对FGS结局指标的客观评估本身也很困难。有学者提出可以将FGS对术中决策的影响作为最有效、客观的结局指标,比如在荧光引导下

23、手术管理方式的改变,以及这些改变对肿瘤复发率的影响等33。因此目前亟需进行FGS相关的多中心临床随机对照研究,以进一步验证荧光显像在外科手术中的作用,从而能够更好地将荧光显像应用于临床实践之中。另外,近年来针对荧光染料的研究也有不少新进展。除FDA已批准应用于临床的荧光染料外,目前仍有不少具有不同荧光特性的新兴荧光染料正处 于 临 床 试 验 阶 段,如 Cy5,Cy7,IRDye800CW,SO456,IRDye 700DX,SGM-101,ZW800-I等。这些近红外光谱的新荧光剂可以更好地控制自发荧光和光散射的影响,同时具有更好的组织穿透性,未来将能更好地显示某些解剖结构并应用于临床实践

24、34。尽管新型荧光染料层见迭出,但是学者们逐渐发现在一些手术中仅通过单荧光实现单独特征的可视化仍然不够,因此多波长荧光成像的新模式被提出,以进一步简化手术34。在这一模式下,手术者可同时采用多种荧光分别显像病变位置不同的结构,如血管、淋巴结、肿瘤组织等,从而最大程度地实现精准手术,尽可能根治肿瘤组织,并使手术不良反应最小化。除此之外,肿瘤靶向荧光染料也是近年来的研究热点。这些肿瘤特异性的荧光剂中常包含可靶向肿瘤配体的肽、抗体、亲和体以及各类小分子等9。比如目前正处于临床试验阶段的荧光成像剂OTL78,它 是 由 前 列 腺 特 异 性 膜 抗 原(prostate specific membr

25、ane antigen,PSMA)与新型荧光染料SO456所组成的,可用于靶向前列腺癌症组织的特异性35。利用这些肿瘤靶向性的荧光染料,可以更准确地诊断肿瘤以及在术中确定病灶范围,日后还可考虑将靶向荧光的概念与PDT相融合,应用到肿瘤的局部靶向治疗之中。参考文献1 van der Poel HG,Buckle T,Brouwer OR,et al.Intraoperative laparoscopic fluorescence guidance to the sentinel lymph node in prostate cancer patients:clinical proof of co

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