Multispektraler Fluoreszenzbilder hilft dabei, die menschlichen hepatozellulären Karzinomläsionen erfolgreich zu resezieren

Die Fluoreszenzbildgebung im Fenster I in der Nähe von Infrarotregionen I (NIR-I, 700-900 nm) hat signifikante Vorteile gezeigt, einschließlich einer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung, und es wird erwartet, dass sie eine wichtige Rolle bei der klinischen Diagnose, zur Führung der Operationen usw. spielen. Gleichzeitig zeigen die jüngsten Fortschritte in der optischen Bildgebung, dass die Bildgebungserkennung im Fenster II in der Nähe des Infrarot-Region II (NIR-II, 1000-1700 nm) die Qualität der In-vivo -Levelauflösung und hoher Kontrast zwischen Ziel und Hintergrund in der Echtzeitbildgebung. Dies wird hauptsächlich auf die Verringerung der Autofluoreszenz des Gewebes im NIR-Fenster, die reduzierte Photonstreuung und die Photonenabsorption mit niedriger Ebene bei längeren Wellenlängen zurückgeführt.

Obwohl eine Vielzahl von optischen NIR-II-Sonden, einschließlich Nanopartikeln, organische Polymere und kleine Moleküle, entwickelt wurden, wurden NIR-Bildgebung aufgrund des Mangels an geeigneten Bildgebungsinstrumenten und optischen Sonden noch nicht in klinischen Umgebungen getestet.

Am 23. Dezember 2019 veröffentlichte ein Team von Tian Jie, Key Laboratory of Molecular Imaging, Institute of Automation, Chinesische Akademie der Wissenschaften, die Ausgabe der ersten in der Menschen leberischen Operation, die von Multispektral in der Zeitschrift Nature Biomedical Engineering Fluoreszenz geführt wird Die Bildgebung in den sichtbaren und nahezu Infrarot-I/II-Fenstern führte ein integriertes sichtbares Licht und ein multispektrales Bildgebungsinstrument der NIR-I/II-Region in Kombination mit indocyaningrünem Farbstoff (ICG) zur Fluoreszenzbildgebung ein. Zum ersten Mal wurde bei 23 Patienten mit Leberkrebs eine chirurgische Resektion von primären und metastatischen Lebertumoren durchgeführt. Die Bildgebungsleistung des NIR-I-Fensters und des II-Fensters in jedem Patienten wurde verglichen. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die Kombination aus NIR-I/II-Spektralfenster und geeigneter Fluoreszenzsonde die aktuelle Situation einer translationalen bildgesteuerten Operation verbessern könnte.

Integriertes sichtbares Licht für klinische Anwendungen NIR-I /II-Region Multispektrales Bildgebungsinstrument

Um die NIR-II-Bildgebungsmethode auf die Klinik anzuwenden und die Vorteile und Einschränkungen dieser optischen Region gegenüber der NIR-I-Bildgebung zu verstehen und zu bewerten 400 bis 1700 nm. Der Imager besteht aus zwei Sätzen von Laseranregungsgeräten und drei Subsystemen der Bildgebung der NIR-II-Region, der NIR-I-Region und der sichtbaren Region-Bildgebung, die für den klinischen Einsatz bequem in den Operationssaal platziert werden können.

NIR-I /II-Bildgebung und bildgesteuerte Tumorresektion bei Tumor-tragenden Mäusen

Um die Leistung des entwickelten Bildgebungsinstruments zu untersuchen, wurden Bildgebungsstandards und Tumor-tragende Mäuse verwendet, und ein Tiermodell der Tumorresektion wurde unter Bildanleitung durchgeführt. Erstens unterscheiden sich sowohl die NIR-I- als auch die NIR-II-Bildgebung deutlich drei Standards. Wenn die Probe mit Hähnchenbrustgewebe mit einer Dicke von 2,0 mm bedeckt war, wurde sie immer noch klar abgebildet und gelöst. Wenn jedoch 5,0 mm Brustgewebe verwendet wurde, konnte die Bildgebung der NIR-I-Region nicht unterschieden, während die Bildgebung der NIR-II-Region immer noch in der Lage war, zwischen den drei Quellen zu unterscheiden.

Die Ergebnisse bestätigen, dass die optische Auflösung der NIR-II-Region höher ist als die der NIR-I-Region, die die höhere optische Auflösung von NIR-II als die NIR-I-Region widerspiegelt. Die Überraschung war, dass die NIR-II-Bildgebung in der Lage war, zwischen den drei Quellen des Standards bei der Verwendung von 8,0 mm Hähnchenbrustgewebe als Abdeckung zu unterscheiden. Die quantitative Analyse zeigte, dass die aus NIR-I und NIR-II erhaltene Fluoreszenzintensität und Signalhintergrundverhältnis (SBRs) mit zunehmender Bildgebungstiefe abnahm, und die SBRs von NIR-II waren immer signifikant höher als die von NIR-I.

NIR-I- und NIR-II-Bildgebungstests wurden in subkutanen Hepg2-Tumor-Lagermäusen durchgeführt. Sowohl die NIR-I- als auch die NIR-II-Bildgebung zeigten eine ICG-Akkumulation in Tumor und Leber mit gutem Kontrast. Die Tumoren in beiden Gruppen wurden anschließend unter der Leitung der Fluoreszenzbildgebung entfernt. Die quantitative Analyse im Mausmodell zeigte, dass die NIR-I- und NIR-II-Signale in der Tumorregion und das Verhältnis von Tumor zu normalem Gewebe (TNR) nach der Resektion signifikant verringert waren. Inzwischen waren die durch präoperativen und postoperativen NIR-II-Bildgebung erhaltenen Leber-SBRs (Leber-Haut-Signalverhältnis) signifikant den durch NIR-I-Bildgebung erhaltenen SBRs. Die Ergebnisse bestätigen ferner, dass NIR-II eine höhere optische Auflösung aufweist als Nir-I.

Anwendung von Nir-II-Bildgebung bei Patienten mit primärem Leberkrebs, intrahepatischen Metastasen oder extrahepatischen Metastasen

Ein multispektraler Imager wurde verwendet, um die Leberoberfläche von Patienten mit Leberkrebs (n = 23) zu untersuchen, um sichtbares Licht, NIR-I- und NIR-II-Bildinformationen zu erhalten. Tumoren können in sichtbaren Bildern identifiziert werden. Die NIR-II-Bildgebung wird durch die Beleuchtung des Operationssaals fast nicht beeinflusst, während die NIR-I-Fluoreszenz stark gestört wird und nicht unter Innenbeleuchtung unterschieden werden kann. Die Beleuchtung muss ausgeschaltet werden, um klare NIR-I-Tumorbilder zu erhalten.

Bei Patienten mit typisch primärem hepatozellulärem Karzinom (HCC) wurden HCC-Knötchen durch intraoperative Bildgebung mit starken NIR-II- und NIR-I-Fluoreszenzsignalen erfolgreich nachgewiesen. Bei Patienten mit typischen intrahepatischen Metastasen können NIR-II- und NIR-I-Fluoreszenzsignale auch zwei intrahepatische Metastasen erfolgreich nachweisen, was mit der Variation der intrahepatischen Erkrankung übereinstimmt, die durch verstärktes CT gezeigt wird.

Bei Patienten mit typischen extrahepatischen Metastasen können NIR-II- und NIR-I-Bildgebung während einer offenen Operation Metastasen im Osten und Peritoneum zeigen, aber die präoperative CT- und PET-Bildgebung kann diese Metastasen nicht nachweisen. Die Kombination der intraoperativen NIR-II- und NIR-I-Fluoreszenzbildgebung erkannte extrahepatische Metastasen, die durch das präoperative Muster übersehen worden waren, ein Befund, der die Diagnose der Patientenstaging und die Änderung der Behandlung erheblich erleichtern konnte.

Die Ergebnisse der quantitativen Analyse zeigten auch, dass die NIR-II-Bildgebung bei der Unterscheidung von Leberkrebsknoten wirksamer war. Der TNR aller Nir-II-Bildgebung war viel höher als Nir-I, und die NIR-II-Bildgebung konnte einige Tumorläsionen beobachten, die von der NIR-I-Bildgebung übersehen wurden. Dies steht im Einklang mit den Ergebnissen, die durch In -vitro -Standard- und Mausmodellbildgebung nachgewiesen wurden.

Intraoperative fluoreszierende bildgebende Tumorresektion

Erstens führten die Ärzte ein sichtbares Licht und die NIR-II-Bildgebung mit einem multispektralen Imager durch, um die Position des Tumors zu bestimmen. Unter der Anleitung der Ultraschalluntersuchung und der sichtbaren Lichtbilder wurde der Tumor vollständig entfernt. Die intraoperative Ultraschalluntersuchung zeigte kein verbleibendes Tumorgewebe, während NIR-II- und NIR-I-Bildgebung immer noch die Fluoreszenz des Restgewebes feststellte. Die Ärzte haben dann die Fluoreszenzstellen basierend auf den NIR-I-Bildern herausgeschnitten. Die visuelle Inspektion zeigte kein verbleibendes Tumorgewebe, und die optische Bildgebung zeigte keine Fluoreszenz von NIR-II oder NIR-I im verbleibenden Gewebe.

Die Bildgebungsanalyse wurde an den zweimal resezierten Geweben durchgeführt. Nach der ersten Resektion änderten sich die Nir-I- und NIR-II-Signale im Tumorbereich nicht offensichtlich, aber nach der zweiten Resektion nahmen die Fluoreszenzsignale von ihnen stark ab. Die H & E -Färbung zeigte, dass beide resezierten Tumorgewebe HCC waren. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl die intraoperative NIR-I- als auch die NIR-II-Bildgebung das Rest-HCC nachgewiesen haben, das bei visueller Inspektion oder intraoperativem Ultraschall nicht nachgewiesen wurde. Es wurde auch gezeigt, dass die Bildgebung von NIR-II die Fähigkeit hat, Läsionen durch die NIR-I-Bildgebung während der bildgesteuerten Resektion zu skizzieren.

Vergleichende Analyse der Bildgebung und Erkennungsfähigkeit zwischen NIR-II und NIR-I

Insgesamt war das Differenzverhältnis zwischen Tumorsignal und normalem Gewebesignal/Hintergrund bei der NIR-II-Bildgebung viel höher bei der Identifizierung von Läsionen.

In Bezug auf die Fähigkeit zur bösartigen Tumorerkennung kann die nir-II-Bildgebung bei 23 Patienten und 39 Läsionen (einschließlich Primärtumoren und Metastasen) 34 maligne Läsionen identifizieren, und NIR-I kann 32 maligne Läsionen nachweisen. Die Nachweisraten von malignen Tumoren durch In-vivo-NIR-II- und NIR-I-Fluoreszenzbildgebung betrugen 56,41% bzw. 46,15%. Die Nachweisraten von NIR-II und NIR-I betrugen 100% bzw. 90,63%. Darüber hinaus hatte die NIR-II-Bildgebung eine Empfindlichkeit von 100% und einen positiven Vorhersagewert von 91,43%, während die NIR-I-Bildgebung eine Empfindlichkeit von 90,63% und einen positiven Vorhersagewert von 90,63% hatte. Schließlich wurde die Genauigkeit der Tumorerkennung von NIR-II- und NIR-I-Bildgebung als 91,43% bzw. 82,86% berechnet. Im Vergleich zur NIR-I-Bildgebung hat NIR-II beispiellose Vorteile bei der Bildgebung, der Erleichterung und der Tumorerkennung.