影像引导在胶质瘤导航手术中的应用与研究进展

任星煜 方向明* 陈宏伟

目前，胶质瘤的临床治疗方法仍以手术切除为主，手术切除原则是在保存重要神经功能的前提下尽可能多地切除肿瘤以减少复发率[1]。有研究[2]显示胶质母细胞瘤切除范围＞90%的病人术后1年生存率显著高于切除范围89%～80%、79%～70%、＜70%的病人 （生存率分别为 81.5%和37.5%、25.0%、25.0%），而神经影像导航有助于提高胶质瘤切除率，还有利于提高其他综合治疗（如放疗、化疗或免疫治疗）的效果、降低复发率、延长肿瘤复发时间和病人生存期以及提高病人术后生存质量。目前，胶质瘤手术影像导航技术包括：①基于术前常规影像神经导航；②基于手术室影像设备的神经导航；③基于解剖与功能融合多模态影像神经导航；④基于荧光影像胶质瘤术中导航。

1 基于术前常规影像的神经导航

术前神经导航技术利用CT或MRI等影像设备可在术前确定肿瘤大小、位置及其毗邻功能区，选择合适入路，大大减少手术创口大小，从而减少医源性损伤，最大程度切除肿瘤和保护相应的血管、神经及重要的功能区[1]。但术中脑组织的牵拉、较大实质肿瘤切除及脑脊液流失等都会引起脑组织移位，术前常规影像导航技术不能实时提供术中影像资料，导航偏差无法及时纠正。

2 基于手术室影像设备的神经导航

手术室术中神经导航技术利用影像设备在三维空间定位肿瘤并精确设计手术入路。早期临床采用CT影像技术，虽对颅脑解剖结构分辨力较高，但对病人和医生有放射性损伤[3]。目前解决脑移位问题最可靠的方法是术中MRI（intraoperative MRI,iMRI）技术[1,4]，iMRI不仅分辨力优于 CT（分辨力不仅保证了影像的质量，还能更好地观察脑组织及解剖结构），而且无放射性。

国外研究[5-6]表明，iMRI组肿瘤完全切除（gross total resection,GTR）率[23/24（96%）]明显高于传统显微外科手术组[17/25（68%）]。国内有研究[7]也提示在iMRI组的功能区高级别胶质瘤无进展生存期（13.2个月）及总体生存期（21.5个月）均明显优于传统显微外科手术组。术中神经导航不仅能弥补术前神经导航出现的脑移位问题，还能通过可视化，在实现肿瘤最大切除的同时不会干预手术进程，一定程度上避免了损伤相应的重要神经功能区。但是，iMRI需要大量的前期基础设施费用、专门的手术室空间及附属设施配备，并在手术中需要额外增加总手术时间[8]，拥有iMRI的医疗机构并不多。

3 基于解剖与功能融合的多模态影像神经导航

神经导航的多模态技术将现有影像技术进行融合，能够提供更加完善的病变综合信息。研究[4,9]表明，高场强iMRI结合多模态影像技术，包括血氧水平依赖功能MRI（BOLD-fMRI）和扩散张量成像（DTI）在内的技术可显著提高胶质瘤的切除面积，在保护病人神经功能的同时减少术后并发症。由此可见多模态功能神经导航结合高场强iMRI有助于延长病人的生存时间，提高病人术后生活质量。但这项技术仍较耗时且昂贵，普及率尚不高。

4 基于荧光影像胶质瘤术中导航

4.1 荧光影像引导技术 越来越多的研究倾向于最大范围切除胶质瘤，但由此带来的并发症也随之增多，故术中精确识别肿瘤边界显得尤为重要[10]。基于术前常规影像、手术室影像设备和解剖与功能融合的多模态影像神经导航技术对于识别胶质瘤边缘的敏感性与特异性尚不佳，而荧光影像引导技术可在术中实时对胶质瘤成像，在确定胶质瘤边界上具有很好的识别优势。近十几年来，术中荧光影像引导技术迅速发展并成为可能实现肿瘤细胞浸润组织边缘可视化的重要辅助技术之一。

荧光影像引导技术的关键在于成像设备和成像媒介。对于肉眼可见的荧光素，无需相应的成像设备或仅需改良的手术显微镜进行成像；对于肉眼不可见的荧光材料，如近红外荧光显像剂，需借助相应的荧光成像设备 （注射近红外荧光显像剂，实时显示解剖学图像和近红外荧光图像），解决了术中肉眼难以识别淋巴管、淋巴结、肿瘤边缘的技术问题，实现同一部位、同一时刻术野情况的外科手术导航。随着研究不断深入，荧光成像设备从操作不便的大型设备逐渐改良到如今轻便、易操作的手持式探头、荧光眼镜等[11]，目前国内外临床应用的近红外荧光设备有手持式荧光检测器 （中国明德医药）[12]、近红外荧光成像仪C9830（日本浜松光电公司）[13]、视觉导航系统（韩国）[14]等，且荧光显像剂种类也越来越多。

4.2 荧光显像剂

4.2.1 荧光素钠 （fluorescein sodium，FLS） FLS是一种水溶性盐形式的荧光素，其荧光是自然发生的，在465~490 nm和510~530 nm区域各有一个主要的蓝色和绿色激发峰，可以通过人眼 （高剂量FLS）或改良的手术显微镜观察[15]。FLS引导切除胶质瘤组较未行FLS引导组在GTR（82.6%∶52%）和平均无进展生存时间（7.2个月∶5.4个月）方面更具优势[16-17]，与iMRI相比更简便、有效、廉价[18]。但FLS不是靶向材料，其与白蛋白和红细胞为可逆性结合，在术中使用易发生荧光外泄，从而引起手术区域广泛染色，导致肿瘤组织识别更加困难。

4.2.2 5-氨基荧光素（5-Aminofluorescein，5-AFL）5-AFL的活性氨基基团能与生物分子中羧基相结合，荧光强度大大增强，广泛应用于蛋白质分析和免疫学研究。其中AFL-甲氨蝶呤-人血清白蛋白（human serum albumin，HSA）仅在大鼠 C6 胶质瘤细胞中产生荧光[19]。Kremer等[20]将HSA-AFL应用于胶质瘤临床手术，术后MRI显示肿瘤全切除率为81.8%。因AFL-HSA设备成本低、无毒、易于运输，所以其荧光指导胶质瘤手术的前景可观，但该荧光代谢较快，长时间手术导致肿瘤部分积聚的荧光减少，手术时长受限。

4.2.3 5-氨基乙酰丙酸 （5-aminolevulinicacid，5-ALA） 5-ALA是一种天然血红蛋白生物化学前体，可在恶性胶质瘤组织中引发荧光卟啉的合成和聚集[20-21]。欧洲、韩国及美国已批准5-ALA用于成年病人恶性胶质瘤手术。Stummer等[18，21]研究显示，5-ALA组的肿瘤完全切除率优于常规显微外科手术组（65%∶36%）且早期MRI的残余肿瘤病人总数减少了29%，6个月的无进展生存率更高，并且术中5-ALA的荧光效应可持续数小时，为手术操作提供了足够的时间,但5-ALA具有光漂白性，肿瘤边缘荧光较为模糊[13]。

4.2.4 吲哚菁绿 （indocyanine green，ICG） ICG是经过美国及中国食品药物监督管理局认证的近红外荧光剂，其最大吸收波及荧光波长分别为805 nm及835 nm。目前主要应用于眼底及颅内血管造影。有文献[22]报道，尝试利用ICG对胶质瘤显影，但染料迅速清除并留下明显的背景噪声，对于精确定位肿瘤边缘没能提供更多帮助。近年来“第二窗口ICG”（其命名与ICG血管造影技术区分开）利用肿瘤血管的天然通透性及其较差的清除能力，向肿瘤提供高剂量的ICG，可显影80%（12/15）的胶质瘤并且实现术中实时成像，提供的肿瘤信息与术前MRI相仿[22-23]。“第二窗口ICG”利用其增强的渗透性效应和保留效应，稳定荧光信号的时间相对较长，并且在生物组织中穿透深度增大，在深层组织产生荧光信号，但由于缺乏靶向性，提高敏感度的同时降低了特异度（敏感度为98%，特异度仅为45%）[23]。

4.3 基于新材料及靶向探针手术导航的实验研究 目前胶质瘤术中显影方法面临的最大挑战是界定胶质瘤与正常脑组织的边界，因此纳米颗粒（nanoparticles，NP）迅速发展。NP具有强大又稳定的输出和负载、多配体结合的能力以及可调的生物分布特征[24]，如量子点和稀土上转换荧光材料可以促进与胶质瘤组织的选择性耦合。

4.3.1 新材料 量子点（quantum dot，QD）是镉离子从硒化镉核中释放出来的物质，在体内外都有毒性。利用合成生物素-适配子-共轭链霉亲和素-聚乙二醇-硒化镉/硫化锌量子点 （QD-labeled aptamer，QD-Apt）所孵育的U87-表皮生长因子受体变异体Ⅲ（仅存在于脑胶质瘤）具有81.53%的标记率，同时降低了QD的毒性。QD-Apt能与细胞膜结合并进入细胞质，胶质瘤的轮廓与显示的荧光成像一致[25-28]。虽然量子点有助于鉴别胶质瘤的边界，但毒性的存在阻止其在生物医学中的发展，目前尚无临床应用。稀土上转换荧光纳米材料（upconversion nanoparticle,UCNP）具有很高的成像敏感度，将UCNP作为生物显像剂，与单一核MR对比剂（二乙三胺五醋酸钆,Gd-DTPA）、荧光染料（5-ALA）作对比发现，UCNP在胶质母细胞瘤的MRI诊断和荧光定位中具有巨大的潜力，但目前尚未见术中导航实验研究和临床研究的报道[29]。

4.3.2 靶向探针 多数荧光纳米材料对胶质瘤缺乏特异性，利用配体-受体、抗原-抗体特异性结合等原理，与多肽、小分子等结合构成靶向探针。该方法增加生物相容性，提供了一种更精确的方法来区分术中脑胶质瘤的边界。124I标记的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginine-glycine-aspartic acid,RGD）功能化UCNP对表达αvβ3整合素的U87MG肿瘤细胞和异种移植肿瘤模型具有较高的特异性[30-31]。此外，应用近红外荧光剂Cy5.5合成光学多模态纳米探针Cy5.5-交联氧化铁 （Cy5.5-cross-linked iron oxide，Cy5.5-CLIO）纳米颗粒使胶质瘤术前可视化以及合成Cy5.5-乳铁蛋白-超顺磁性氧化铁 （Cy5.5-lactoferrin-superparamagnetic iron oxide,Cy5.5-Lf-SPIO）胶束能靶向C6大鼠胶质瘤，具有良好的光学/MRI功能，并能明确胶质瘤的边界[32-35]。

新材料及靶向探针在术中导航领域刚刚起步，其中新材料对人体的潜在毒性是不可忽视的，目前尚局限于探索性研究，如何解决好新材料的生物安全性是通向临床试验的一个关键点。

5 展望

术中残留肿瘤组织是导致恶性胶质瘤复发及转移的重要因素，因此如何提高各种影像下实时探测胶质瘤边界的特异性是影像引导下术中导航的关键，虽然目前有以上诸多方法，但尚未达到最终的目的，需要更进一步的研究。另外，脑组织具有血脑屏障的特殊性，而且受颅骨的遮挡以及脑实质深度的限制，因此如何增强荧光强度、防止术区被荧光污染等问题也有待于进一步探索研究。