本文要點(diǎn)：本文研究了在熒光引導(dǎo)手術(shù)中含有西妥昔單抗-IRDye800CW的臨床樣本的SWIR 相較于 NIR 成像的潛在益處。通過(guò)記錄吸收和發(fā)射光譜來(lái)檢查表皮生長(zhǎng)因子靶向 NIR 染料西妥昔單抗-IRDye800CW 在短波范圍內(nèi)的效果。使用含有西妥昔單抗-IRDye800CW 的鱗狀細(xì)胞癌 （PSCC） 和頭頸部鱗狀細(xì)胞癌 （HNSCC） 患者臨床腫瘤樣本對(duì) NIR 和 SWIR 圖像進(jìn)行離體比較。比較基于腫瘤背景比和適應(yīng)性對(duì)比噪聲比 （aCNR），使用護(hù)理病理學(xué)組織評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)作為金標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)發(fā)射光譜，可以在 SWIR 范圍內(nèi)檢測(cè)到西妥昔單抗-IRDye800CW。在臨床 PSCC 樣本中，發(fā)現(xiàn)總體SWIR成像性能與NIR成像相似（在檢查的 2/7 標(biāo)準(zhǔn)中，NIR 成像優(yōu)于 SWIR，在 3/7 標(biāo)準(zhǔn)中，SWIR 優(yōu)于 NIR）。然而，在檢查HNSCC 數(shù)據(jù)時(shí)，NIR 在幾乎所有 （5/7） 檢查標(biāo)準(zhǔn)中都優(yōu)于 SWIR。這種差異似乎源于 HNSCC 組織中的背景自發(fā)熒光壓倒了off-peak SWIR 熒光信號(hào)。在離體臨床樣本中使用靶向示蹤劑西妥昔單抗-IRDye800CW 的 SWIR 成像目前沒(méi)有提供比 NIR 成像額外的好處。SWIR 區(qū)域的背景熒光導(dǎo)致更高的背景信號(hào)，限制了 HNSCC 樣品中的 SWIR 成像。然而，SWIR 顯示出增加 PSCC 樣本中腫瘤邊界對(duì)比度的潛力。

 

---

本文報(bào)告了與 NIR 成像相比，腫瘤組織 SWIR 成像在外科腫瘤學(xué)中的潛在臨床益處的研究。為此，使用臨床樣本的熒光圖像將SWIR 成像與 NIR 光譜范圍內(nèi)的成像進(jìn)行了比較。為了進(jìn)行這種比較，評(píng)估了 ICG 和 IRDye800CW 在SWIR 光譜范圍內(nèi)的光學(xué)特性，并選擇了目前可用的最佳 NIR 成像系統(tǒng)。從而能夠在鱗狀細(xì)胞癌 （PSCC） 和頭頸部鱗狀細(xì)胞癌 （HNSCC） 的臨床樣本中使用表皮生長(zhǎng)因子受體 （EGFR） 靶向 NIR 染料西妥昔單抗-IRDye800CW 在腫瘤可視化中對(duì) SWIR 和 NIR 光譜成像進(jìn)行系統(tǒng)比較。所有測(cè)量均在體外進(jìn)行。目前，這是首次使用包含臨床相關(guān)和最佳劑量的這種靶向染料的臨床樣本來(lái)比較 SWIR 和 NIR 成像結(jié)果。改進(jìn)熒光分子成像（FMI）方法可以改善腫瘤切緣評(píng)估，使患者預(yù)后受益。

圖1. 近紅外和 SWIR 圖像配準(zhǔn)。選擇幾個(gè)相關(guān)點(diǎn)使用平移矩陣（T）疊加圖像。

 

近紅外（NIR）和短波紅外（SWIR）的對(duì)比是基于離體整體組織樣本和組織切片的圖像進(jìn)行的。首先，離體整體組織樣本的熒光圖像進(jìn)行了比較，因?yàn)檫@些圖像更能代表兩個(gè)系統(tǒng)在臨床使用中的預(yù)期效果。圖像的對(duì)比是以腫瘤組織的白光圖像作為參考，比較了NIR和SWIR圖像中高熒光強(qiáng)度和低熒光強(qiáng)度區(qū)域的位置。

隨后，利用先前獲取的組織切片作為基準(zhǔn)，更精確地比較NIR和SWIR成像。這些組織切片的腫瘤和背景分割可以通過(guò)病理學(xué)家在H&E染色切片上的標(biāo)記進(jìn)行確認(rèn)，并與相應(yīng)組織切片的熒光圖像相關(guān)聯(lián)。為了進(jìn)行有用的對(duì)比，需要分析NIR和SWIR熒光圖像中相同區(qū)域的組織切片。因此，在MATLAB中使用“cpselect”和“fitgeotrans”函數(shù)進(jìn)行了半自動(dòng)圖像配準(zhǔn)，使用相似性變換類(lèi)型獲取變換矩陣（T）。

盡管對(duì)組織切除標(biāo)本進(jìn)行了實(shí)時(shí)熒光引導(dǎo)手術(shù)，但兩種成像方式之間的有意義比較需要通過(guò)H&E 病理學(xué)評(píng)估。因此，對(duì)含有腫瘤的組織切片進(jìn)行了比較，病理學(xué)家在其上指示了腫瘤邊界。此外，使用具有光滑表面的組織切片可以采集兩個(gè)系統(tǒng)可比較的熒光圖像，從而促進(jìn)更好的圖像配準(zhǔn)（圖1）。最后，使用組織切片可能會(huì)減少 SWIR 成像在更深組織穿透方面的積極影響，從而減少散射。當(dāng)樣品厚度大于 NIR 成像的穿透深度時(shí)，SWIR 最能顯示出其優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谶@種情況下，SWIR 成像的深度更深。在這項(xiàng)研究中，使用了4至5毫米厚的組織切片，估計(jì) NIR 成像的組織穿透率∼2.2毫米。因此，在切片中，SWIR 在穿透深度方面仍有望顯示出優(yōu)于 NIR 的優(yōu)勢(shì)。

圖2. 含有西妥昔單抗-IRDye800CW的小管的半峰全寬 （FWHM） 測(cè)量，該管嵌入脂肪乳 （a） 和牛組織 （b） 中，深度為 0、1、3 和 5 mm。強(qiáng)度分布基于使用各種濾光片獲得的熒光圖像中歸一化強(qiáng)度的平均值。

 

對(duì)于SWIR成像系統(tǒng)，最佳設(shè)置是基于不同深度下包埋在乳脂和牛組織中的IRDye800CW管熒光圖像的全寬半高（FWHM）選擇的。如圖2所示，使用1300nm的長(zhǎng)波通濾光片（LP 1300-nm）在乳脂和牛組織測(cè)量中都能得到最低的FWHM。然而，在檢查歸一化強(qiáng)度圖時(shí)，噪聲變得更加明顯，這可能是由于最大熒光強(qiáng)度較低導(dǎo)致的。使用1200nm的長(zhǎng)波通濾光片（LP 1200-nm）僅顯示FWHM平均增加了7%，同時(shí)減少了抑制對(duì)比度的噪聲。因此，使用1200nm的長(zhǎng)波通濾光片被認(rèn)為是最佳的。根據(jù)圖2的結(jié)果，SWIR成像在3mm的深度下應(yīng)該是可靠的。

圖3. 代表性頭頸鱗狀細(xì)胞癌（HNSCC，上排）和前列腺鱗狀細(xì)胞癌（PSCC，下排）切除標(biāo)本的白光和NIR及SWIR熒光圖像。NIR和SWIR系統(tǒng)的熒光圖像顯示了相似的熒光模式。

 

一共有八名患者參與，其中六名為前列腺鱗狀細(xì)胞癌（PSCC）患者，兩名為頭頸鱗狀細(xì)胞癌（HNSCC）患者。圖3中的熒光圖像顯示腫瘤和背景中熒光信號(hào)的分布相似。這些和其他拍攝的圖像表明NIR和SWIR圖像具有相似的對(duì)比度。然而，由于缺乏病理分析中腫瘤確切位置的知識(shí)，客觀評(píng)估存在困難。因此，分析了組織切片。

圖4. 代表前列腺鱗狀細(xì)胞癌（PSCC）和五片頭頸鱗狀細(xì)胞癌（HNSCC）的示例。

 

切除的標(biāo)本包括共計(jì)十七片前列腺鱗狀細(xì)胞癌（PSCC）和五片頭頸鱗狀細(xì)胞癌（HNSCC）腫瘤組織切片，這些切片根據(jù)病理學(xué)家的評(píng)估進(jìn)行了分割。每個(gè)組織切片上繪制了四條線，分別得出PSCC的68條線和HNSCC的20條線。為比較NIR和SWIR成像在組織切片和線條上的表現(xiàn)，評(píng)估了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。圖4中給出了這些參數(shù)的概覽。

為了比較NIR和SWIR成像性能，評(píng)估超出腫瘤邊界的信號(hào)衰減似乎是一個(gè)有用的方面。因此，對(duì)穿過(guò)腫瘤進(jìn)入背景組織的線條進(jìn)行了NIR和SWIR信號(hào)的比較，見(jiàn)圖4。首先，文本考慮在腫瘤中觀察到的最低熒光強(qiáng)度是否能提供一個(gè)閾值，用于表征腫瘤中像素的最低熒光強(qiáng)度。背景中熒光強(qiáng)度超過(guò)該閾值的像素?cái)?shù)量將表明該標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)健性，并可以在NIR和SWIR數(shù)據(jù)之間進(jìn)行比較。這種比較導(dǎo)致了NIR和SWIR歸一化熒光強(qiáng)度的像素散點(diǎn)圖。對(duì)比度的計(jì)算是通過(guò)腫瘤組織中像素強(qiáng)度與背景像素強(qiáng)度之間的重疊進(jìn)行的，結(jié)果顯示SWIR在PSCC中重疊顯著較少，而在HNSCC中重疊顯著較多。像素強(qiáng)度圖的簡(jiǎn)單線性回歸顯示，PSCC的中位數(shù)r²為0.550（0.233至0.740），HNSCC為0.260（0.0625至0.385）。Bland-Altman分析顯示PSCC和HNSCC的偏差分別為0.0384（σ=0.175）和0.0957（σ=0.257）。

最后，考慮了三個(gè)不同的指標(biāo)。首先，在一條線上繪制像素的歸一化強(qiáng)度[圖4 (b/f)]顯示，PSCC中NIR和SWIR的圖表相當(dāng)，而HNSCC的對(duì)比顯示出不同的強(qiáng)度分布。隨后，使用病理分割計(jì)算并繪制了對(duì)應(yīng)線條上的TBR和aCNR[分別見(jiàn)圖4(c/g)和4(d/h)]。一條線上的平均TBR顯示，PSCC中NIR和SWIR沒(méi)有顯著差異，但在HNSCC中發(fā)現(xiàn)了傾向于NIR的顯著差異。比較線上aCNR時(shí)，SWIR在PSCC中顯著優(yōu)于NIR，而在HNSCC中，NIR顯著優(yōu)于SWIR。在比較aCNR曲線的AUC時(shí)也得到了相同的結(jié)果。在更詳細(xì)地檢查HNSCC樣本時(shí)（圖5），發(fā)現(xiàn)NIR信號(hào)與腫瘤組織對(duì)應(yīng)，而SWIR信號(hào)不對(duì)應(yīng)。在評(píng)估PSCC和HNSCC SWIR圖像中的腫瘤和背景中的平均計(jì)數(shù)時(shí)，SWIR HNSCC圖像中的背景自體熒光變得明顯。對(duì)于腫瘤組織，這些是可比的，但HNSCC樣本背景中的計(jì)數(shù)更高。即使在沒(méi)有任何示蹤劑的HNSCC患者組織中，也觀察到了SWIR光譜范圍內(nèi)的背景自體熒光，而在NIR光譜范圍內(nèi)沒(méi)有。

圖5. HNSSC，PSCC 鱗狀細(xì)胞癌的NIR和SWIR熒光圖像與蘇木精-伊紅（H&E）染色的對(duì)比示例。

 

有趣的是，在基于aCNR比較NIR和SWIR圖像時(shí)，研究者觀察到在病理分析指定的腫瘤邊界處，aCNR曲線似乎在aCNR=1處交叉，而絕對(duì)強(qiáng)度和TBR與腫瘤邊界沒(méi)有關(guān)系[分別見(jiàn)圖8(d/h)與圖8(b/f)和圖8(c/g)]。因此，計(jì)算了基于病理分析的aCNR=1交叉點(diǎn)到腫瘤邊界的絕對(duì)距離。對(duì)于PSCC，找到交叉點(diǎn)的正一致性為91.8%，負(fù)一致性為36.8%。對(duì)于HNSCC，正一致性為75.0%。由于NIR在所有情況下都找到了交叉點(diǎn)，因此無(wú)法確定負(fù)一致性。在PSCC和HNSCC中，aCNR=1交叉點(diǎn)與實(shí)際腫瘤邊界的交叉點(diǎn)之間的中位距離在NIR中顯著更低。

然而，在外科腫瘤學(xué)中，腫瘤邊緣對(duì)比度和腫瘤邊界像素強(qiáng)度的差異可能更為重要。使用垂直于腫瘤邊界的線[圖4 (a/e)]，比較了兩個(gè)系統(tǒng)的對(duì)比度和像素強(qiáng)度。在PSCC中，沿線的aCNR和腫瘤中的aCNR的AUC在SWIR成像中顯著更高，而TBR沒(méi)有差異。這再次表明背景中的較高熒光變化σ對(duì)NIR圖像的影響。然而，NIR顯示了到腫瘤邊界的較小絕對(duì)距離。盡管差異顯著，但觀察到的中位距離差異僅為0.2毫米，這可能是由手動(dòng)分割誤差和/或半自動(dòng)圖像配準(zhǔn)與相應(yīng)分辨率的結(jié)合造成的。這種偏差的臨床相關(guān)性是可疑的，因?yàn)槭中g(shù)刀的厚度為0.1至0.5毫米。對(duì)于HNSCC，NIR成像在各個(gè)方面的性能都顯著優(yōu)于SWIR成像。這是由于SWIR熒光模式與病理結(jié)果之間的差異，而NIR顯示的熒光模式與病理結(jié)果一致（圖5）。

研究者注意到，根據(jù)H&E染色，aCNR曲線在垂直于腫瘤邊界的線上的表現(xiàn)是比較腫瘤邊界的高度相關(guān)參數(shù)。使用定義的aCNR，當(dāng)aCNR=1的線與病理評(píng)估的腫瘤邊界相交時(shí)，其偏差在PSCC的NIR和SWIR成像系統(tǒng)中均在成像系統(tǒng)分辨率的三倍以內(nèi)（見(jiàn)圖4）。HNSCC圖像中的發(fā)現(xiàn)顯示，NIR系統(tǒng)具有相似的結(jié)果，而SWIR成像系統(tǒng)的偏差較大。

在首次使用含有靶向染料的臨床組織樣本進(jìn)行比較時(shí)，本文發(fā)現(xiàn)使用靶向示蹤劑西妥昔單抗-IRDye800CW的非峰值SWIR熒光成像目前相比NIR成像沒(méi)有提供額外的好處。這可能的一個(gè)重要原因是，在臨床研究中使用的示蹤劑劑量比臨床前研究中使用的劑量低一百倍。未來(lái)的劑量研究應(yīng)對(duì)此進(jìn)行調(diào)查。需要考慮的另一個(gè)方面是，在某些組織類(lèi)型中，背景熒光會(huì)淹沒(méi)SWIR光譜范圍內(nèi)的NIR示蹤劑的非峰值熒光，這限制了這種SWIR成像方法。當(dāng)新的專用SWIR染料獲得臨床使用批準(zhǔn)時(shí)，情況可能會(huì)有所改變。此外，本文開(kāi)發(fā)了一種方法來(lái)系統(tǒng)地比較熒光圖像，使用改良的對(duì)比噪聲比（CNR），識(shí)別熒光邊界，并且這種方法似乎適用于不同波長(zhǎng)的熒光系統(tǒng)，與病理分析一致。

 

參考文獻(xiàn)

Keizers B, Nijboer T S, van der Fels C A M, et al. Systematic comparison of fluorescence imaging in the near-infrared and shortwave-infrared spectral range using clinical tumor samples containing cetuximab-IRDye800CW[J]. Journal of Biomedical Optics, 2025, 30(S1): S13708-S13708.

 

⭐️ ⭐️ ⭐️

 

動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

In Vivo Imaging System

高靈敏度 - 采用深制冷相機(jī)，活體穿透深度高于15mm
高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um
熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us
高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）
多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴(kuò)展X射線輻照、熒光壽命、光聲和光熱成像、原位成像光譜，CT等
顯微鏡 - 高分辨顯微成像系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀
 

⭐️ ⭐️ ⭐️

 

 恒光智影

上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，被評(píng)為“國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)”，榮獲“科技部重大儀器專項(xiàng)立項(xiàng)項(xiàng)目”，上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”科學(xué)儀器領(lǐng)域立項(xiàng)單位。

恒光智影，致力于為生物醫(yī)學(xué)、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供先進(jìn)的、一體化的成像解決方案。

專注動(dòng)物活體成像技術(shù)，成像范圍覆蓋 400-1700 nm，同時(shí)可整合CT, X-ray，超聲，光聲，光熱成像等技術(shù)。

可為腫瘤藥理、神經(jīng)藥理、心血管藥理、大分子藥代動(dòng)力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果，為用戶提供前沿的生物醫(yī)藥與科學(xué)儀器服務(wù)。