荧光导航技术与设备齐发展 多方面努力实现核心元器件国产化

来源:科技日报 时间:2022-01-05 10:41:36

随着精准外科理念的提出,术中导航技术逐渐被应用于临床,让外科手术有了“地图”的指引,不再“盲切”。而利用荧光术中导航技术进行的荧光引导手术,其荧光分子探针能在术中实时点亮癌细胞,突破了传统手术治疗的精度极限。

近日,复旦大学张凡教授团队开发了一种具有高亮度的氮偶氮硼二吡咯烷刷状大分子探针,其比之前报道的同类红外二区荧光分子探针亮度高约10倍,同时具有很强的生物安全性,有望应用于肿瘤的早期诊断和术中导航。相关成果在线发表在国际期刊《德国应用化学》上。

随着精准外科理念的提出,术中导航技术逐渐被应用于临床,让外科手术有了“地图”的指引,不再“盲切”。而利用荧光术中导航技术进行的荧光引导手术,其荧光分子探针能在术中实时点亮癌细胞,突破了传统手术治疗的精度极限。

近几年,荧光术中导航技术也在不断升级,以便在手术中更精准地为肿瘤定位,甚至可以揪出隐藏在人体组织深处的、更加微小的肿瘤。

荧光分子探针在术中为医生精准导航

“术中导航是在手术中通过影像学方法,将切除目标的影像数据与手术中患者的解剖结构,通过直接或间接的方法建立准确对应,并在手术中通过影像学持续、实时获取被切除病变的形态、大小和边缘等信息。”天津大学医学部教授张晓东表示,有了这样的“活地图”,就能使医生对病变的解剖位置一目了然,从而实现更为精准、快速和安全的全新外科手术操作。

术中导航系统最早应用于神经外科领域,近年来,随着导航技术的不断发展,其临床应用范围已逐步扩展到功能神经外科、脊柱外科(骨科)、耳鼻喉科、整形外科、肿瘤科等。

“目前术中导航系统在肿瘤外科手术中的应用非常广泛。”张晓东介绍,根治性手术切除是实体瘤治疗的基础,但在过去的几十年中,手术技术并未发生根本改变。传统外科肿瘤手术中,主要依靠医生主观评估组织结构、颜色和触感等来区分肿瘤与周围正常组织,并尽可能完整地切除肿瘤。但这种方式难免存在肿瘤残留或对正常组织过度切除的可能。

而且在临床手术中,现有医学影像手段无法检测到毫米级及以下微小肿瘤病灶,而这些微小病灶如果不能彻底清除又会引起肿瘤的复发及转移,危及患者生命。因此要实现对肿瘤的彻底清除,光靠手术“活地图”还不够,还需要有更精准的指引定位。荧光引导手术中的荧光分子探针由于能够在术中实时点亮癌细胞,因此可以帮助医生更精准地判断肿瘤边界、发现转移灶。

据张晓东介绍,医生会先在患者体内注射分子荧光染料,然后用近红外镜头照射检测区域,荧光染料进入肿瘤细胞后,在外源性光源的激发下会发射出近红外光,荧光导航设备将根据这种近红外光和白外光的叠加,计算获得肿瘤的实时影像,从而让医生通过显示屏就能实时精确定位肿瘤。

“这种近红外光其实就是人们常见的电视机遥控器上发出的那种光,在一定能量范围内,对人体伤害微乎其微;采用的荧光染料也比较安全,不会对人体产生副作用。”张晓东介绍。

多方面努力实现核心元器件国产化

目前,荧光导航技术在我国的肿瘤手术治疗中应用非常广泛,全国很多医院都已经开展这项技术。不过,目前国内市场主要还是被欧洲、日本、美国等国家的设备、系统占据,国内各大医院使用的荧光导航设备仍以国外进口为主。

“其实我们国家荧光导航技术水平并不落后于欧美国家,甚至在红外二区、长波长等荧光导航领域最前沿的技术方面还走在世界前列,有几项研究已经进入到了人体实验阶段。”张晓东说,无论是技术水平还是研发速度,我国与国外相比都不逊色。

同时,科研人员也不断优化荧光分子探针的性能,小分子自组装纳米探针结合了小分子的简单性和纳米颗粒增强的肿瘤聚集性,可以减少或消除不良的“生物污垢”,以减缓清除速度并避免不良的免疫反应。

“在荧光导航领域,我们国家起步比较晚,虽然前沿技术方面并不落后,但是在这个领域的基础还比较薄弱,很多核心元器件和零部件都需要进口。”张晓东透露。

“未来,要想在荧光导航领域实现核心元器件和零部件的国产化,我国还需要在3方面进行努力。”张晓东说。

首先,要在荧光导航的硬件方面取得突破,提高基础元器件和零部件的精细度,上下游企业配合起来,形成一条完整的产业链。

其次,应围绕红外二区、长波长等前沿技术,攻克深组织成像技术,同时匹配相应的荧光造影剂,实现这一领域的快速发展。

再次,要开展智能化研究,把荧光导航技术与AI技术结合起来,实现硬件和软件的智能化。比如通过人工智能收集数据进行分析,在手术前辅助医生进行预判等。“人工智能会使荧光导航这项技术拥有更广阔的发展前景,会使疾病诊断更加精准、便捷。”张晓东如是说。

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设备、算法和荧光分子探针是荧光成像关键

张晓东表示,荧光成像的关键在于穿透深度和信噪比。要实现更高的组织穿透深度和更高的信噪比,就需要不断升级导航成像设备、算法和荧光分子探针这三方面的技术。

在导航成像设备和方法方面,目前比较有潜力的研究为红外二区成像,该技术是由美国斯坦福大学戴宏杰院士发明的成像技术。它比传统荧光导航技术使用的波长更长,能达到1000—1700纳米。目前,该项技术已经用于肿瘤免疫治疗、神经科学等领域。“波长越长,能看到的位置就会越深,信噪比也更大,最终影像也会更加清晰。”张晓东解释。

硬件的发展,还需要与之相匹配的软件,灵敏高效的定位也离不开精密的算法。比如中国科学院自动化所田捷教授就整合了医学影像处理技术、分析技术与创新技术,搭建了灵活可用的整体计算框架。荧光分子探针方面,目前我国也有1000—1700纳米的红外二区荧光分子探针正在逐步研发中,中国科学院苏州纳米所的王强斌教授、复旦大学张凡教授等都在红外二区探针的研究方面取得了丰硕的成果。

关键词: 荧光导航技术 设备创新 核心元器件 国产化

  
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