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OCT 在肿瘤疾病中的应用:基于新型光学技术监测组织与细胞形态

人阅读 发布时间:2024-03-29 11:58

提起肿瘤或者癌症,人们无不谈虎色变。肿瘤疾病凭借其高度恶性,低治愈率以及高死亡率等特点位居全球疾病相关死亡率榜首。虽然医务与科研工作者基于生理,病理和免疫水平不断在肿瘤的治疗手段上攻克诸多难题,但不同器官来源以及不同病因引发的肿瘤在临床诊断与治疗中依旧显得“道高一尺,魔高一丈”。以肝癌为例,由于缺乏早期典型的临床症状,患者大多在疾病初期无法察觉体内异常,一旦患者出现腹胀,黄疸等消化系或者全身症状时,往往肝癌已经进入中晚期,相应的也就错过了最佳治疗时期,患者不但面临巨大身体痛苦,同时经济与精神压力也接踵而至。对于肿瘤疾病而言,早期、精确的发现病灶,在疾病初期及时对肿瘤级别,分化程度进行评估,在接受手术或者化学药物治疗后能够准确的评估病灶部位消减情况对于该类疾病预防与治疗意义重大。

光学相干断层扫描技术(Optical Coherence Tomography,简称 OCT)是一种基于光学原理的非侵入性、无接触的显微成像技术。OCT 通过测量光在样品中反射或散射的强度和时间延迟信息,可以获得高分辨率、高对比度的断层结构图像,OCT 技术可以在不影响组织结构的情况下,对人体组织进行成像,该技术的优势在于既减少了传统放射性检查对人体造成的潜在伤害,又消除了人们对侵入性检查产生的恐惧心理。目前OCT已经作为一项成熟的技术被应用黄斑区病变,青光眼,视网膜血管病变等眼科疾病的诊疗中。在癌症领域,同样有很多科研团队在不断探索 OCT 的应用前景,并且在诸多期刊中展示了学术成果。

基于 OCT 技术对膀胱移行细胞癌进行组织学诊断

由于 OCT 能够产生高分辨率的组织断层影像,越来越多的医学科研人员开始关注 OCT 技术在疾病诊断中的应用价值,尤以肿瘤疾病更为突出。2009 年纽约石溪大学生物工程系团队对 OCT 组织层次分辨能力进行了测试,他们利用高分辨率 OCT 分别扫描了健康小鼠膀胱和尿路移行细胞癌的组织,通过与HE染色结果对比发现,OCT 扫描结果能够清晰的区分健康膀胱尿路上皮,固有层以及肌层组织。通过增强局部细胞运动诱导的相位乱序,OCT 成像能够精确的甄别健康尿路上皮组织与恶变的细胞核形态差异。在 OCT 影像中能够明显的看到,恶变的尿路上皮细胞核暗区对比度更为明显,并且细胞核体积更大。同时相较于健康组织,OCT能够观察到清晰的组织形态改变以及浸润深度。该团队认为 OCT 的这一功能有望成为肿瘤疾病内镜下组织光学活检的重要手段。

                                                                       a.健康膀胱组织; b.膀胱移行细胞癌;                                                               N:细胞核; U:健康上皮组织; LP:粘膜固有层; M:膀胱肌层OCT扫描辨别复杂组织层次

同样,在肿瘤与健康组织鉴别方面,2021 年伊利诺伊大学团队对手术切除狗乳腺组织进行了OCT扫描,并同时将扫描结果与HE 染色切片进行对比。与膀胱不同的是,乳腺组织构成更为复杂,除共有的皮肤及皮下组织外,乳腺富含腺体以及一定量的脂肪组织。这便要求 OCT 在成像时能够在同一水平面同时区分更多的组织层次和类型。该团队没有对OCT成像数据进行高分辨处理,在常规参数水平下,能够看到脂肪组织整体呈低散射性,偶见单个脂肪细胞呈高散射(白色)轮廓,形成蜂窝状外观(图A.D).乳腺组织呈中高散射,具有可辨别的组织结构,小叶组织结构和高细胞密度清晰可见(图B.E)。相比之下,乳腺肿瘤表现出高散射和更高的组织致密性,组织外观杂乱无章(图 C.F)。

图片

OCT 应用于甄别细胞类型

OCT 除应用于观察组织形态外,2022 年阿德莱德大学医学科学学院的科研团队利用它莫西芬对不同类型的乳腺癌细胞进行标记,该课题以OCT影像技术能够区分经特异标记后的 ER(+)与ER(-)乳腺癌细胞为假设,通过将共聚焦显微镜技术与 OCT 融合,得出结论 OCT 可以准确区分 ER(+/-)乳腺癌细胞群。团队成员利用抗雌激素药物它莫西芬与雌激素受体(ER)特异性结合这一特性,针对ER设计了一组绿色荧光探针,通过体外将探针与 ER(+)细胞MCF7以及ER(-)细胞 MDA-MB-231 进行共孵育后,对活细胞进行了 OCT 以及共聚焦扫描。在细胞密度方面,OCT 镜下能够看到它莫西芬对MCF7表现出更显著的抑制效应,并且通过共聚焦图像合并,OCT观察到的细胞团位置与绿色荧光标记的ER细胞相对应。

图片图片图片                         上:探针孵育 MCF7(ER+); 中:它莫昔芬探针孵育 MDA-MB-231 (ER-); 下: OCT 影像与共聚焦叠加

OCT 直接观察器官形态改变

组织学检查虽然是众多疾病最终确诊的金标准,但大多数疾病初期筛查主要依赖宏观影像学观察。早期在器官表面看到病变对于制定治疗策略至关重要。荷兰阿姆斯特丹大学科研团队于 2017 年演示了将 OCT 技术与内窥镜融合后对前列腺病变部位直接观察的一项技术。该团队使用福尔马林对完整的手术切除前列腺器官进行固定后,将定制的观察管道插入不同平面前列腺内部,在管道内部借助组织折射差别对前列腺进行扫描。OCT 采集图像结束后,将前列腺组织进行切片染色,以矫正 OCT 观察结果的准确性。从该团队展示的数据不难看出,在大体层面,OCT 成像对器官病变具有一定的分辨能力,同时组织结构差异越明显,OCT 成像也相应的越清晰。图片A. Gleason 4 期前列腺癌。在光学相干断层扫描中表现为一个具有低穿透深度的均匀组织。在组织病理学切片中可见核深染切密度均匀的实性组织;B. 囊性萎缩病变伴间隔,在 OCT 图像上可以清楚地看到囊肿(白色箭头),在组织病理上可以看到隔膜;C.基质,在 OCT 影响中, 可见一个具有高穿透深度的均匀区域;D. 健康腺体。在 OCT 中可以看到腺体为不均匀区域(白色箭头);E. 无分隔的囊性萎缩,箭头表示一些囊肿,可以很清楚地看到囊肿与组织病理学上的区域具有相同的形状。

除泌尿系肿瘤与乳腺癌外,许多学者应用OCT在其他肿瘤疾病中也进行诸多研究,包括肿瘤体积测量,手术边缘评估,甚至 OCT 技术可以在良恶性肿瘤的鉴别方便提供数据支持。作为一种正在应用于新领域的成熟成像方法,OCT 具有其独特的优势。首先,OCT可以提供非侵入性,高质量的详细图像。通过光学、电学和图像处理,OCT 可以提供微米级分辨率的组织图像,以及高分辨率的 3D 成像,可用于疾病的早期诊断和治疗。另外,OCT 可以在解剖结构方面对软组织进行对比,便于对软组织结构进行详细分析,对癌症的早期诊断具有重要意义。此外,OCT 可以集成到小探头和导管中,使其适合进入内脏进行癌症成像和诊断。由于 OCT 本身的穿透深度和视野有限,肿瘤学家很难从小面积组织的图像中进行判断。此外,在评估术中肿瘤边缘时成像深度有限,通常在 2mm 以内,这极大地限制了其在手术中的应用。而且,使用小探头和导管成像时,很难很好地固定探头或成像模块,因此很难获得清晰的图像。因此,OCT 未来发展的第一步是提高成像深度,并结合人工智能算法和多种成像方法,使其能够在相对较大的深度和视野下进行成像。其次,在 OCT 本身超高采样速度和高分辨率的优势下,未来 OCT 有望采用多帧合成技术来提高采样的稳定性;最后,OCT 技术应进一步与其他学科和技术融合,如人工智能、医学图像分析、智能机械制造、安全环保的新材料工艺等。它不仅可以用于疾病早期诊断和促进科学研究,为成像测量提供更客观、精确的依据,还可以为疾病的常规检测提供更安全、更快捷、更便宜的技术解决方案。

参考文献:

  1. 1.    Yuan Z, Chen B, Ren H, Pan Y. On the possibility of time-lapse ultrahigh-resolution optical coherence tomography for bladder cancer grading. J Biomed Opt. 2009 Sep-Oct;14(5):050502.
  2. 2.    Ren H, Waltzer WC, Bhalla R, Liu J, Yuan Z, Lee CS, Darras F, Schulsinger D, Adler HL, Kim J, Mishail A, Pan Y. Diagnosis of bladder cancer with microelectromechanical systems-based cystoscopic optical coherence tomography. Urology. 2009 Dec;74(6):1351-7.
  3. 3.   Scolaro L, Lorenser D, Quirk BC, Kirk RW, Ho LA, Thomas E, Li J, Saunders CM, Sampson DD, Fuller RO, McLaughlin RA. Multimodal imaging needle combining optical coherence tomography and fluorescence for imaging of live breast cancer cells labeled with a fluorescent analog of tamoxifen. J Biomed Opt. 2022 Jul;27(7):076004.
  4. 4.   Muller BG, Swaan A, de Bruin DM, van den Bos W, Schreurs AW, Faber DJ, Zwartkruis EC, Rozendaal L, Vis AN, Nieuwenhuijzen JA, van Moorselaar RJ, van Leeuwen TG, de la Rosette JJ. Customized Tool for the Validation of Optical Coherence Tomography in Differentiation of Prostate Cancer. Technol Cancer Res Treat. 2017 Feb;16(1):57-65. 

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