光學(xué)相干斷層掃描的癌癥成像：臨床前進(jìn)展和臨床潛力
文章中我們將通過國(guó)際頂尖期刊NATURE REVIEWS CANCER（影響因子：51.848）中的一篇經(jīng)典綜述來進(jìn)一步了解光學(xué)相干斷層掃描成像技術(shù)（OCT）。簡(jiǎn)單的說OCT 技術(shù)以邁克爾遜干涉原理為核心，基于弱相干光信號(hào)探測(cè)，獲取樣品的背向反射和背向散射光信號(hào)，再通過橫向掃描獲得多個(gè) A-scan信息，重建得到組織橫斷面圖像；最后再通過縱向掃描進(jìn)而獲得樣品的三維立體圖像。相比于傳統(tǒng)的影像學(xué)技術(shù)， OCT 憑借其高時(shí)間分辨率、高空間分辨率的非接觸、快速、無創(chuàng)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高分辨活體三維無標(biāo)記成像。因此，在醫(yī)學(xué)界，它成為了一種極具吸引力的前沿技術(shù)。
近十年來，OCT 技術(shù)得到了的高速發(fā)展與進(jìn)步，在眼科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)界等領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。這些進(jìn)展大大推動(dòng)了眼科，心臟病學(xué)和胃腸道癌篩查的商業(yè)化和臨床應(yīng)用。近年來OCTA技術(shù)與血管內(nèi)OCT技術(shù)的發(fā)展，為臨床前活體內(nèi)癌癥成像臨床應(yīng)用開發(fā)，提供了一系列令人興奮的新功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)高分辨組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像，還可以探測(cè)和監(jiān)測(cè)體內(nèi)癌癥的進(jìn)展和反應(yīng)的功能相關(guān)信息。
OCT Endoscope (OCE) ImagingSystem 內(nèi)窺系統(tǒng)通常包括光源，干涉儀和顯微鏡或成像導(dǎo)管，顯微鏡或成像導(dǎo)管將光傳遞到要成像的組織并從中收集反射，獲取組織高分辨信息。與熒光顯微鏡相比，具有更深的成像深度并且無需標(biāo)記等優(yōu)勢(shì)。OCT可以通過皮下成像用于皮下模型，或者可以應(yīng)用于外科手術(shù)暴露的內(nèi)部部位進(jìn)行區(qū)域成像。
微結(jié)構(gòu)成像
結(jié)構(gòu)（解剖）成像是精準(zhǔn)測(cè)量腫瘤體積，解剖定位腫瘤或定義腫瘤微環(huán)境的關(guān)鍵�；铙w超聲和微計(jì)算機(jī)斷層掃描（μCT）通常用于此目的，兩者都具有成像范圍大和穿透力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但受相對(duì)較差的軟組織成像對(duì)比度的阻礙，限制了其對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的解釋。
通過使用光學(xué)散射傳遞的光學(xué)信息，可以從OCT測(cè)量中生成微結(jié)構(gòu)圖像。由于在軟組織上的光學(xué)散射比聲學(xué)散射或X射線吸收變化更大，因此微結(jié)構(gòu)OCT圖像通常比超聲和CT提供更大的圖像對(duì)比度。大大提高了腫瘤邊緣的高分辨檢測(cè)能力，更能夠闡明腫瘤部位的微環(huán)境功能變化等情況。
腫瘤的微結(jié)構(gòu)OCT成像。（一）使用微觀結(jié)構(gòu)的對(duì)比，可以在背側(cè)皮褶腔模型中將腫瘤組織（同種異體移植的MCaIV乳腺腺癌）與周圍宿主皮下和肌肉組織區(qū)分開。通過定義腫瘤邊緣，可以計(jì)算三維腫瘤體積。（b）內(nèi)窺鏡在小鼠結(jié)腸中由乙氧基甲烷誘導(dǎo)的大腸癌的顯微組織OCT。高軟組織對(duì)比度和接近組織學(xué)分辨率可對(duì)結(jié)腸上皮微結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。圖像顯示了在不同組織深度（垂直方向）上的對(duì)比度與沿結(jié)腸的距離（水平方向上）的對(duì)比。疾病進(jìn)展-從正常組織到胃腸上皮內(nèi)瘤變（GIN）到腺瘤-可以通過標(biāo)志性的修改（例如組織分層的丟失）來監(jiān)控。（c）通過量化OCT微結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集中的散射，可以在細(xì)胞毒性干預(yù)過程中監(jiān)測(cè)腫瘤的生存能力。在此，在白喉毒素（下圖）或未治療（上圖）施用兩天后，展示了皮背背腔模型中的LS174T人結(jié)腸直腸腺癌異種移植物的代表性生存力圖像。在給予白喉毒素的動(dòng)物中，散射的增加表明生存力的顯著降低。橫向范圍a：5毫米（x），4.4毫米（y）。c中的比例尺：500μm。
活力監(jiān)測(cè)
腫瘤模型內(nèi)部的成像能力有助于闡明空間異質(zhì)性的治療反應(yīng)。使用18-氟脫氧葡萄糖（FDG）標(biāo)記的微型正電子發(fā)射斷層掃描（μPET）掃描儀可以在全身成像研究中繪制生存力圖，但其有限的分辨率（通常大于1毫米）不能很好地匹配小動(dòng)物模型中的腫瘤大小尺度。GFP表達(dá)的腫瘤可用于監(jiān)測(cè)存活率，因?yàn)闊晒獾鞍纵d體的半衰期約為36小時(shí)，但這些技術(shù)受限于成像視野和深度。
OCT技術(shù)可以通過光學(xué)散射的相關(guān)變化來區(qū)分腫瘤的可存活和不可存活的分區(qū)。雖然組織結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)光學(xué)散射的基本變化還沒有被確定，但高散射和生存能力的損失之間的相關(guān)性已被圖像和組織學(xué)證實(shí)。然而，在將散射變化與生存能力狀態(tài)聯(lián)系起來時(shí)必須謹(jǐn)慎，因?yàn)槠渌^程可能表現(xiàn)出類似的散射變化�；贠CT的生存能力成像具有無標(biāo)簽的優(yōu)勢(shì)，可以很容易地與其他OCT成像方式同時(shí)進(jìn)行，例如，微結(jié)構(gòu)成像；這兩種對(duì)比度方法都是在相同的獲取數(shù)據(jù)集上操作，僅通過后處理進(jìn)行區(qū)分。在臨床前環(huán)境下安全穩(wěn)妥的成像方法的匱乏使得OCT的應(yīng)用引人注目。
血管造影
使用OCT對(duì)腫瘤血管生成進(jìn)行成像�；贠CT的血管造影顯示出在不同解剖部位生長(zhǎng)的MCaIV鼠乳腺癌中的血管網(wǎng)絡(luò)截然不同。比例尺，500μm。在這些圖像中，三維血管信號(hào)被投影到單個(gè)圖像中，色圖用于編碼血管深度。
OCT在臨床前癌癥研究中最引人注目的應(yīng)用是在血管造影領(lǐng)域，其不僅能夠多次反復(fù)成像的能力使其非常適合研究各種部位的腫瘤血管生成和血管反應(yīng)，而且 寬視野成像以獨(dú)特的清晰度揭示了腫瘤血管網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)特征。該功能用于研究腫瘤微環(huán)境脈管相關(guān)疾病具有重要作用。使用OCT可以進(jìn)行快速重復(fù)血管造影成像（由于成像時(shí)間和外滲標(biāo)記物的積累，在熒光顯微鏡存在限制）。
綜上所述，我們可以相信OCT技術(shù)在科研以及臨床診斷和治療中的應(yīng)用前景廣闊，可以在多種學(xué)科，多種類型的研究中都能提供巨大的能量。目前，已經(jīng)可以看到OCT技術(shù)在除眼科之外的臨床應(yīng)用上擁有巨大潛力。隨著OCT技術(shù)的發(fā)展，OCT技術(shù)將來來提供腫瘤內(nèi)微血管系統(tǒng)的高分辨率可視化。
參考文獻(xiàn)
Vakoc,B. J., Fukumura, D., Jain, R. K., & Bouma, B. E. (2012). Cancer imaging by optical coherencetomography: preclinical progress and clinical potential. Naturereviews. Cancer, 12(5), 363–368.https://doi.org/10.1038/nrc3235
近十年來，OCT 技術(shù)得到了的高速發(fā)展與進(jìn)步，在眼科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)界等領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。這些進(jìn)展大大推動(dòng)了眼科，心臟病學(xué)和胃腸道癌篩查的商業(yè)化和臨床應(yīng)用。近年來OCTA技術(shù)與血管內(nèi)OCT技術(shù)的發(fā)展，為臨床前活體內(nèi)癌癥成像臨床應(yīng)用開發(fā)，提供了一系列令人興奮的新功能，不僅可以實(shí)現(xiàn)高分辨組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像，還可以探測(cè)和監(jiān)測(cè)體內(nèi)癌癥的進(jìn)展和反應(yīng)的功能相關(guān)信息。
OCT Endoscope (OCE) ImagingSystem 內(nèi)窺系統(tǒng)通常包括光源，干涉儀和顯微鏡或成像導(dǎo)管，顯微鏡或成像導(dǎo)管將光傳遞到要成像的組織并從中收集反射，獲取組織高分辨信息。與熒光顯微鏡相比，具有更深的成像深度并且無需標(biāo)記等優(yōu)勢(shì)。OCT可以通過皮下成像用于皮下模型，或者可以應(yīng)用于外科手術(shù)暴露的內(nèi)部部位進(jìn)行區(qū)域成像。
微結(jié)構(gòu)成像
結(jié)構(gòu)（解剖）成像是精準(zhǔn)測(cè)量腫瘤體積，解剖定位腫瘤或定義腫瘤微環(huán)境的關(guān)鍵�；铙w超聲和微計(jì)算機(jī)斷層掃描（μCT）通常用于此目的，兩者都具有成像范圍大和穿透力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但受相對(duì)較差的軟組織成像對(duì)比度的阻礙，限制了其對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的解釋。
通過使用光學(xué)散射傳遞的光學(xué)信息，可以從OCT測(cè)量中生成微結(jié)構(gòu)圖像。由于在軟組織上的光學(xué)散射比聲學(xué)散射或X射線吸收變化更大，因此微結(jié)構(gòu)OCT圖像通常比超聲和CT提供更大的圖像對(duì)比度。大大提高了腫瘤邊緣的高分辨檢測(cè)能力，更能夠闡明腫瘤部位的微環(huán)境功能變化等情況。
活力監(jiān)測(cè)
腫瘤模型內(nèi)部的成像能力有助于闡明空間異質(zhì)性的治療反應(yīng)。使用18-氟脫氧葡萄糖（FDG）標(biāo)記的微型正電子發(fā)射斷層掃描（μPET）掃描儀可以在全身成像研究中繪制生存力圖，但其有限的分辨率（通常大于1毫米）不能很好地匹配小動(dòng)物模型中的腫瘤大小尺度。GFP表達(dá)的腫瘤可用于監(jiān)測(cè)存活率，因?yàn)闊晒獾鞍纵d體的半衰期約為36小時(shí)，但這些技術(shù)受限于成像視野和深度。
OCT技術(shù)可以通過光學(xué)散射的相關(guān)變化來區(qū)分腫瘤的可存活和不可存活的分區(qū)。雖然組織結(jié)構(gòu)中調(diào)節(jié)光學(xué)散射的基本變化還沒有被確定，但高散射和生存能力的損失之間的相關(guān)性已被圖像和組織學(xué)證實(shí)。然而，在將散射變化與生存能力狀態(tài)聯(lián)系起來時(shí)必須謹(jǐn)慎，因?yàn)槠渌^程可能表現(xiàn)出類似的散射變化�；贠CT的生存能力成像具有無標(biāo)簽的優(yōu)勢(shì)，可以很容易地與其他OCT成像方式同時(shí)進(jìn)行，例如，微結(jié)構(gòu)成像；這兩種對(duì)比度方法都是在相同的獲取數(shù)據(jù)集上操作，僅通過后處理進(jìn)行區(qū)分。在臨床前環(huán)境下安全穩(wěn)妥的成像方法的匱乏使得OCT的應(yīng)用引人注目。
血管造影
在過去的十年中，了解腫瘤血管生成和腫瘤對(duì)血管靶向療法的反應(yīng)一直是癌癥研究的熱點(diǎn)之一。目前的活體血管造影方法包括多普勒超聲，微磁共振成像（μMRI），μCT，光聲層析成像和熒光顯微鏡。其中，基于超聲，μMRI和μCT的方法由于分辨率有限而無法分辨單個(gè)血管。熒光血管造影可用于研究單個(gè)血管分辨率下腫瘤模型中的血管生成，然而，該方法需要外源性染料進(jìn)行血管的系統(tǒng)性標(biāo)記，在活體成像應(yīng)用研究中存在一定局限性。而OCT血管造影成像依賴于散射動(dòng)力學(xué)的測(cè)量，流動(dòng)的血液調(diào)節(jié)光散射，并且可以檢測(cè)到這種調(diào)節(jié)并將其用于區(qū)分腫瘤的血管內(nèi)和血管外腔室，與熒光方法不同，基于OCT的血管造影術(shù)無需標(biāo)記。這是其技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)。但在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間里熒光顯微鏡與OCT相比，熒光顯微鏡可提供更小的視野和更高的分辨率成為了一大優(yōu)勢(shì)，但是隨著OCT技術(shù)的進(jìn)步OCTA技術(shù)的發(fā)展使其分辨率逐漸趕上熒光顯微鏡，這就使得OCTA技術(shù)在臨床和科研領(lǐng)域變得更有前景和潛力。
使用OCT對(duì)腫瘤血管生成進(jìn)行成像�；贠CT的血管造影顯示出在不同解剖部位生長(zhǎng)的MCaIV鼠乳腺癌中的血管網(wǎng)絡(luò)截然不同。比例尺，500μm。在這些圖像中，三維血管信號(hào)被投影到單個(gè)圖像中，色圖用于編碼血管深度。
OCT在臨床前癌癥研究中最引人注目的應(yīng)用是在血管造影領(lǐng)域，其不僅能夠多次反復(fù)成像的能力使其非常適合研究各種部位的腫瘤血管生成和血管反應(yīng)，而且 寬視野成像以獨(dú)特的清晰度揭示了腫瘤血管網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)特征。該功能用于研究腫瘤微環(huán)境脈管相關(guān)疾病具有重要作用。使用OCT可以進(jìn)行快速重復(fù)血管造影成像（由于成像時(shí)間和外滲標(biāo)記物的積累，在熒光顯微鏡存在限制）。
綜上所述，我們可以相信OCT技術(shù)在科研以及臨床診斷和治療中的應(yīng)用前景廣闊，可以在多種學(xué)科，多種類型的研究中都能提供巨大的能量。目前，已經(jīng)可以看到OCT技術(shù)在除眼科之外的臨床應(yīng)用上擁有巨大潛力。隨著OCT技術(shù)的發(fā)展，OCT技術(shù)將來來提供腫瘤內(nèi)微血管系統(tǒng)的高分辨率可視化。
參考文獻(xiàn)
Vakoc,B. J., Fukumura, D., Jain, R. K., & Bouma, B. E. (2012). Cancer imaging by optical coherencetomography: preclinical progress and clinical potential. Naturereviews. Cancer, 12(5), 363–368.https://doi.org/10.1038/nrc3235
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