荧光引导手术 (FGS)

癌症是数百万人患病和死亡的主要原因。迫切需要开发新的药物、治疗方法和技术来对抗这种疾病。在这方面,基于光学的技术在多种癌症的检测、诊断和手术治疗中发挥着越来越重要的作用。

传统的手术显微镜利用白光成像来可视化癌性肿瘤,但对肿瘤边缘的预测很差,并且可能不够敏感,无法检测到小肿瘤。然而,新的发展已经将荧光成像与传统的成像方式相结合。这种新方法通常称为荧光引导手术 (FGS) 或荧光图像引导手术 (FIGS),可用于开放视野或微创内窥镜检查程序。FGS 使用术前施用的荧光造影剂,然后在肿瘤切除期间照射手术区域。染色后的肿瘤细胞的发射荧光具有特异性,检测该发射的荧光可以更好的识别存在分子差异的组织。因此,荧光成像提供的主要优势是为外科医生提供清晰、高对比度的视图,从而改善手术过程中肿瘤块的识别和描绘。与术前成像、肉眼目视检查和手术期间触诊相比,它为外科医生提供了卓越的癌症部位导航、更安全的切除和更高的灵敏度。

荧光引导手术(FGS)系统的成功不仅限于肿瘤成像和切除,还扩展到广泛的更临床应用,例如前哨淋巴结标测、血管造影、淋巴造影以及输尿管和胆管解剖成像。荧光引导手术(FGS)可用于在手术期间保存健康的细胞和组织,例如神经和血管,使用突出这些结构的特殊荧光标签。荧光引导手术 (FGS) 还可以帮助对血流和组织灌注进行成像,识别可能导致术后并发症的血流不畅的区域。

荧光引导手术 (FGS)环境

荧光引导手术(FGS)光学系统的设计目标与非手术荧光成像仪相同:支持高对比度和高分辨率成像,允许区分荧光标记和未标记组织。然而,与封闭场离体荧光成像相比,在临床兼容性上,荧光引导手术(FGS)提出了额外的性能要求。即:照明应限制在荧光团激发波长处的窄光谱带,以减少背景信号和噪声。 因为白光照明为受过训练的外科医生提供了好的参考,外科医生可以依赖视觉信息来识别解剖标志和组织的原始颜色。 这就需要在单个叠加显示器上实时查看白光和荧光图像并进行联合配准,手术团队就不必交替查看荧光成像仪显示器和手术区域。 理论上是在不受控制的环境光下进行荧光模式操作, 但是,因为开放视野的荧光引导手术(FGS) 步骤实施通常在手术室的明亮白光照明下进行 [1]。 鉴于发射荧光信号的强度相对较弱,实现实时荧光成像以及叠加功能给系统设计带来了挑战,但在现代实现中,这一点可以被越来越多地克服。

荧光成像光谱和荧光试剂

荧光引导手术(FGS)方法成功的核心是使用无毒造影剂。目前,尽管其他一些造影剂已获得临床批准,包括亚甲蓝 (MB)、5-氨基乙酰丙酸 (5-ALA) 和荧光素钠[2],吲哚菁绿 (ICG) 是用于荧光引导手术(FGS) 的常用的近红外(NIR)荧光染剂/荧光团之一,。 然而,许多荧光团是市面可售的,并且许多新型 FGS 造影剂正在开发中 [3] [4]。这些新的荧光染剂有望支持如何为手术决策提供分子信息的范式转变。

生物医学荧光成像在可见光波长下工作,延伸至近红外(NIR)光谱。大多数荧光探针在可见光范围内发光(∼ 400-650 nm),这不是最佳选择,因为伴随的组织自体荧光和可见光的高吸收率将穿透深度限制在几毫米以内。 近红外荧光团更适合体内成像,对荧光引导手术(FGS)具有极好的潜力。700至900 nm的“NIR-I窗口”允许更深入的组织成像和更高的灵敏度,因为在NIR波长的低组织自发荧光和减少的光散射进一步简化了滤除背景信号的任务。 第二个近红外波长窗口(NIR-II,1000至1700 nm)可以进一步改善图像引导手术[5]。然而,目前很少有NIR-II探针允许动态成像,而那些可用的NIR-II探针需要使用定制的相机。

荧光染料 典型峰值吸收/发射 (nm) 滤光片选型
荧光素 490 / 520 FITC-2024BLED-FITC-A
PpIX 来自 5-氨基乙酰丙酸 (5-ALA) ~ 400 / ~ 630 LD01-405/10 或 FF01-389/38, 和 FF01-625/26
Cy5 650 / 670-680 Cy5-4040CLED-Cy5-A
亚甲蓝 Methylene Blue (MB) 670 / 690 Cy5.5-C
Cy5.5 / AlexaFluor 680 683 / 703 Cy5.5-C
Cy7 / AlexaFluor 750 750 / 775 Cy7-BLED-Cy7-A
吲哚菁绿 Indocyanine Green (ICG) 790 / 820 ICG-B
IRdye® 800CW 785 / 810 IRDye800-33LP-A

 

表 1:FGS 中常用的荧光探针列表和仪器原型设计的滤光片推荐选型。滤光片的选择取决于整个系统设计,尤其是激发光源。

手术环境中背景信号和噪声的挑战

高检测灵敏度是荧光引导手术(FGS)成像的关键性能要求之一。这种高灵敏度允许成像系统显示与生物组织背景区分开来的可用图像,即使在低浓度荧光团的情况下,例如手术切除中的非常小的肿瘤。这种敏感性提高了患者的诊断准确性和手术结果。然而,对微弱荧光发射进行成像具有挑战性,并且需要增加信号背景比以区分患病组织和无病组织,或识别要保存的重要结构,例如神经、血管、输尿管和胆管。

滤光片使荧光引导手术(FGS)成为可能

由于很强的环境照明,在手术环境中实现高信号和低背景在开放视野手术中是复杂的。有几个因素会影响荧光检测的效率,因此成像系统中的所有组件都需要仔细设计和优化。例如,用于激发光源、光束组合和分离分色镜以及发射光的滤光片。这些滤光片对于通过限制背景光来增加检测灵敏度至关重要。光谱过滤可减少不希望的信号,例如激发或环境光泄漏,同时增加荧光信号收集。

Semrock 处于荧光图像引导手术发展的前沿。由于荧光引导手术(FGS) 的关键性质,必须使用提供高亮度和高对比度的滤光片。除了现成的目录滤光片外,我们还可以帮助客制化制滤光片,以实现荧光术中可视化,并具有很高的灵敏度和对比度/分辨率。客制化滤光片的好处包括:

  • 定制透射带:与感兴趣的荧光团的斯托克斯位移对齐
  • 具有陡峭边缘和精确通带定位的高透过率
  • 有效的背景抑制深度带外阻挡
  • 针对您的特定要求进行优化,例如锥半角 (CHA) 不敏感或宽入射角 (AOI) 容差
  • 同时多重荧光团成像
  • 特定波长的精确衰减
  • 用于高分辨率成像的波前控制(TWE 和 RWE)
  • 精密制造和质量控制 (ISO 9001),以满足生产过程中医疗器械的需求

美国和欧洲的几家公司都信任 Semrock 品牌的滤光片产品,以便在进入临床试验时为其荧光引导手术(FGS)仪器开发和提供合适的滤光片。

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参考文献
[1] DSouza AV, Lin H, Henderson ER, Samkoe KS, Pogue BW. 回顾荧光引导手术系统:确定吲哚菁绿成像以外的关键性能。 J Biomed Opt. 2016;21(8):80901. doi:10.1117/1.JBO.21.8.080901.
[2] Pogue BW, Rosenthal EL. 审查在开放场荧光引导手术中获得监管批准的成功途径。 J Biomed Opt. 2021;26(3):030901. doi:10.1117/1.JBO.26.3.030901.
[3] Nagaya T, Nakamura YA, Choyke PL, Kobayashi H. 荧光引导手术。 Front Oncol. 2017;7:314. Published 2017 Dec 22. doi:10.3389/fonc.2017.00314.
[4] Barth CW, Gibbs SL. 荧光图像引导手术 - 造影剂开发的观点。 Proc SPIE Int Soc Opt Eng. 2020;11222:112220J. doi:10.1117/12.2545292.
[5] Cao J., Zhu B., Zheng K., He S., Meng L., Song J., Yang H. 用于生物成像的 NIR-II 造影剂的最新进展。 Front. Bioeng. Biotechnol. 2020

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