消化内镜分子影像学技术新进展

作者单位：100039北京，武警总医院消化科

消化内镜分子影像学技术新进展

刘海峰，屈亚威

【关键词】消化内镜；分子影像学

作者简介：刘海峰，博士，主任医师，E-mail：haifengliu333@163.com

基金项目：北京市自然科学基金(7132171)

作者简介：王寰, 硕士，医师，E-mail :wh1005@126.com

【中国图书分类号】R573.3

白光内镜是消化道黏膜形态学改变直视化检查的突破性进展。目前，消化道早癌诊断模式正是基于白光内镜直视观察病变及病变组织病理定性，但由于多数早癌形态特征不明显，这种模式易造成漏诊；此外，病变活检定位缺乏准确性也是造成漏诊的另一个主要原因。近年研究表明，特殊光内镜联合放大内镜对早癌诊断有较高的价值，还可判断早癌的边界与浸润深度，但漏诊率仍在20%以上[1，2]。如何实现内镜下更早、更准确地诊断早癌？分子影像学的发展提供了这种可能性。因为分子影像学有以下特点：(1)在细胞和分子水平对体内的生物过程进行可视化观察，而不是观察分子改变的最终效应——结构改变；(2)通过靶向探针与特定分子结合实现实时、定量的功能成像。将分子成像技术的优势与消化内镜的形态学直视化成像融合，从而形成了一门交叉的新学科——内镜分子影像学，其衍生的消化内镜分子成像技术将成为消化道肿瘤早期诊断的有效方法。

1　自体荧光内镜

理论上，只要分子结构发生改变，自体荧光就会发生特征性改变。病变组织与正常组织荧光光谱特征性差异，是自体荧光内镜(autofluorescence endoscopy ，AFI)诊断的理论基础[3，4]。AFI的优势在于使用自身荧光物质进行分子成像，不会出现药物不良反应，安全性高。自20世纪90年代AFI问世以来，经过多年的发展，已被广泛应用于消化道病变的检查。AFI诊断直径大于20 mm的食管鳞状细胞癌病变价值高于窄带成像技术(narrow band imaging，NBI)[5]。AFI诊断平坦型早期胃癌准确率达80%，还可判断早期胃癌的类型。有研究表明，AFI也用于大肠癌前病变的筛查，其鉴别结肠癌和腺瘤的敏感性和特异性分别为84.6%和80.0%[6]。采用自体荧光成像和荧光强度定量的方法可区分结肠上皮内瘤变的等级[7]，如研究发现通过荧光素钠增强自体荧光成像，可以提高AFI对腺瘤与增生性息肉诊断的准确性[8]。

值得注意的是，某些情况下AFI难以准确区别炎性反应和肿瘤性病变。当炎性反应较重时黏膜明显增厚，大部分激发光不能穿透黏膜层到达胶原含量丰富的黏膜下层，因而荧光较弱，出现类似癌组织的光谱特征，以致该技术假阳性率较高[9]。

2　拉曼光谱内镜

拉曼光谱以物质特定的分子振动光谱来识别和区分不同的物质结构，有较高的分子特异性，可通过探查病变部位的拉曼光谱特征进行定性诊断。自2000年首次与消化内镜结合，用于胃肠道病变的定性诊断，迅速成为内镜分子成像技术的研究热点之一。拉曼光谱内镜(raman spectroscopy endoscopy，RSE)区分胃良、恶性溃疡病灶的灵敏度和特异性均可达90%以上[10]，也可鉴别诊断胃的异型增生和正常组织[11]。有研究表明，RSE可以观察结肠癌组织中分子的构成及其脂类、蛋白质、黏液和胶原的分布[12]，诊断结肠腺瘤与增生性息肉的敏感度达91%，特异度达95%[13]。

现有RSE技术主要有三个方面的缺点：(1)组织固有拉曼信号较微弱，难以获得拉曼光谱；(2)扫描速度相对缓慢；(3)缺乏客观的光谱数值分析软件等。技术的不断完善和多种拉曼探针的研发与应用为克服以上缺点提供了新的途径。2012年开发的全自动实时拉曼光谱分析系统，不但提高了扫描速度，而且可同时进行信号处理分析，对胃癌检测准确性达85.6%，特异性达86.2%[14]。

3　荧光分子成像

荧光分子成像(fluorescent luminescence imaging，FLI)开创了活体水平的无创、实时、高灵敏度的特异性检测肿瘤病灶的新途径，并被广泛应用于多种肿瘤研究，检测灵敏度达毫米级。有研究发现，采用由组织蛋白酶B激活的酶活化近红外荧光分子探针进行结肠癌荧光分子成像，静脉注射探针24 h后结肠癌病灶区域有很强的信号[15]。Elizabeth等[16]使用荧光标记的凝集素对从Barrett食管到食管腺癌细胞表面多聚糖的变化进行靶向成像，发现多聚糖表达量逐渐增高。γ-谷氨酰转肽酶在结肠癌细胞中高表达并可催化酶活化探针gGlu-HMRG发出荧光，局部喷洒探针5 min时即可探查到直径<1 mm的病灶[17]。

但目前使用的多数荧光造影剂不能明确其药理毒性，因而FLI现阶段主要停留在动物模型研究阶段，研发靶向性强的、临床可用的荧光分子探针将是未来的研究热点。

4　契伦科夫光分子成像

契伦科夫光分子成像(cerenkov luminescence imaging ，CLI)使用与PET相同的核素探针进行成像，实现了放射性核素自发荧光成像，拓展了光学分子成像的探针选择范围，克服了荧光分子成像探针毒性问题，为分子成像的临床转化应用开辟了新的研究方向。自2009年Robertson等[20]首次成功对尾静脉注射18F-氟代脱氧葡萄糖(18F-FDG)的荷瘤小鼠进行了CLI成像以来，迅速成为新的研究热点，在肿瘤检测、药物疗效评估、新药研发等多个生物医学领域展现了良好的应用前景[21-23]。2013年Spinelli等[25]成功利用契伦科夫光对人体甲状腺进行显像，首次实现了CLI的人体研究；2014年Thorek等[26]应用CLI对摄取18F-FDG的腋窝淋巴结进行显像，显像结果与PET成像具有很好的一致性。但CLI信号弱，组织穿透性有限，目前仅适用于对体表组织进行成像。

然而，胃肠道是天然的暗室，借助内窥式契伦科夫成像模式可以实现胃肠道等深部组织的局部契伦科夫光成像。2012年，Kothapalli等[27]首次搭建了由内镜、光学成像透镜、CCD相机组成的仿真内窥成像系统并进行了小动物活体成像。随后，Liu等[28]将光纤与CCD相机耦合，模拟腹腔镜下引导裸鼠移植瘤切除。2014年，Cao等[29]结合纤维胃镜进一步改进了内窥式契伦科夫光成像系统，提高了内窥式CLI系统对白光和契伦科夫光的分辨率。

但由于契伦科夫光信号弱，成像曝光时间长，经过内窥光路传导后信号进一步衰减，成为限制契伦科夫内窥成像临床转化应用的瓶颈问题。为此国内外学者从两个方向开展深入研究：(1)降低光路传导过程中信号衰减，即设计更合理的光路，选择光损率更小的光纤，选用灵敏度更高的CCD相机；(2)增强光学信号强度，即基于契伦科夫光能量转移成像、契伦科夫光二次激发荧光成像等技术的核素荧光成像，增强信号强度，提高信号的组织穿透性，为核素光学成像的生物在体应用探索了新方向[31-35]。

5　光相干断层成像

光相干断层成像(optical coherence tomography，OCT)的成像原理在于组织的不同光反射性质，其断层图像与B超相似，但分辨率为B型超声的10～25倍。目前OCT主要用于Barrett食管及其并发的异型增生和早期腺癌的诊断，敏感性和特异性分别为83%和75%[36]。在胆总管和主胰管肿瘤性和非肿瘤性疾病的诊断和鉴别诊断方面也有一定价值[37]。

在胃内成像时，OCT球囊难以紧贴胃壁；在肠道内其球囊会压迫肠壁使绒毛结构显示不清。因而限制了该项技术在胃肠道中的应用。

6　激光共聚焦显微内镜

激光共聚焦显微内镜(confocal laser endomicroscopy，CLE)通过放大的方式对黏膜层的细胞及亚细胞结构实现实时观察，可对病灶准确定位，提高内镜下病灶活检准确性。CLE可引导实施EMR/ESD，提高切除成功率，并可监测EMR/ESD术后切缘[40]。CLE联合色素内镜检测溃疡性结肠炎及上皮内瘤变，阳性率提高4.75倍，活检量减少50%[41]。

近年来，结合特异性荧光靶向探针的CLE成像诊断准确性、特异性明显提高。2008年，Hsiung等[42]使用一种由荧光标记的序列为 “VRPMPLQ”的缩氨酸局部喷洒后，行CLE对腺瘤隐窝进行细胞水平的靶向成像，开辟了CLE靶向荧光显微成像的新方向。Liu等[43]采用CLE联合靶向表皮生长因子受体的荧光探针，可更准确地界定病变位置。上述研究虽然处于离体研究阶段，但展现了CLE靶向分子成像的良好应用前景，成为新的研究热点。

7　高分辨率光纤显微内镜

高分辨率光纤显微内镜(high resolution microscopic endomicroscopy ，HRME)是近年新兴的一种内窥显微分子成像技术，通过激发喷洒在组织上的荧光造影剂而成像。目前，常用的荧光造影剂盐酸吖啶黄可与细胞核和细胞质内的DNA、RNA结合而染色，受到波长445 nm的激发光照射后，可以发射出波长515 nm的荧光。2007年，Rajesh等[44]对裸鼠在体中分化鳞癌移植瘤进行了成像研究，首次证实HRME实现在体显微组织学成像的可行性；2010年，Dongsuk等[45]通过该系统对外科手术口腔鳞状细胞癌的标本进行成像，表明HRME可以实现术中切缘的判定；Mary等[46]使用 HRME观察到正常宫颈上皮细胞与宫颈癌组织的差异，首次实现了人体在体HRME成像；2014年Neil等[47]首次将该项技术与肠镜结合，表明该项技术可较准确区分腺瘤性与增生性息肉。

目前，虽然HRME尚处于探索研究阶段，相信通过系统的不断优化，以及图像定量分析软件的研发等技术升级措施，一定能实现与内镜的有机结合，从而为内镜下的即时组织病理成像开创新的领域。

8　展　　望

概括起来，消化内镜分子成像技术分为，大视野荧光靶向成像与高分辨率显微组织成像两类。这些技术的应用初步实现了即时组织病理成像与特异性功能成像，将对病灶的探查能力由原有的组织结构水平提高到分子功能水平，提高了早癌的检出率，展现了良好的应用前景。但真正实现分子成像技术的消化内镜临床转化应用，还有以下关键点需要突破：(1)研发适用于不同分子成像技术的低毒性、高特异性分子探针；(2)研发简便、灵敏的多模式内窥分子成像设备。未来的内镜应包括3种成像模式：高清晰度的特殊光内镜系统提供解剖学信息；基于靶向探针的分子影像探测系统特异性定位可疑病灶；高分辨率内镜显示细胞、亚细胞形态变化，提供“光学活检”。 随着特异性更高、更安全的分子探针及新型成像设备的研发，分子成像将会极大地影响未来消化内镜的诊断和个性化治疗方式的优化选择。随着其他领域分子成像探针在内镜领域的应用，实现疾病的实时多模态诊断，这将会对疾病的诊断模式产生深远的影响。

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(2015-01-11收稿2015-03-01修回)

(责任编辑尤伟杰)