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编号:10503672
激光诱导自体荧光技术与大肠癌的早期诊断
http://www.100md.com 中国肛肠病杂志 2001年第21卷第4期
     激光诱导自体荧光技术与大肠癌的早期诊断

    国家卫生部肝胆肠外科研究中心(湖南 长沙 410008) 王渊璟 张阳德

    湖南医科大学生物医学工程学系 任力峰 李世珍

     关键词:激光;荧光;大肠癌;肛肠病

    1984年Alfano等[1]发现利用低功率激光可诱导乳腺、肺组织的自体荧光以及Richards等[2]用290~600nm波长的激光诱发结肠粘膜组织产生自体荧光以来,很多学者开始研究利用激光诱导荧光(laser induced fluorescence,LIF)技术进行光谱分析来早期诊断大肠恶性肿瘤。LIF技术与在肠癌早期诊断的结合,创造性地提出了一种全新的有效诊断途径和方法。
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    一般认为,肿瘤组织会自然聚积一定数量的卟啉类化合物于瘤体,而且肿瘤组织与正常组织的胶原纤维蛋白成分及组成亦不相同。利用低功率激光可诱发其固有荧光(即自体荧光)而表现特定波长处不同于正常组织的光谱特征,故而自80年代初期,国内学者就开始探讨恶性肿瘤的激光诱发荧光光谱特征。张阳德等[3]运用LIF在大肠癌及癌前病变的早期诊断方面取得了很大的进展,开创了一种崭新的肿瘤检测方法—光活检术,为早期诊疗大肠癌提供了较可靠的手段。

    1 LIF的基本原理

    任何发光物质因引起发光的原因不同可分为:热致发光,光致发光,电场致发光,阴极射线发光,高能粒子发光和生物发光等各种发光方式。光致发光的原理是生物分子在吸收了光能后从基能态跃迁到高能态,在它们再从高能态返回基能态时,以光能的形式向外释放刚才吸收的外来能量,生物分子在返回基能态时所释放的这种光能就是光致发光所发生的光。
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    激光光谱包括两大类,一是原子荧光光谱,分为共振荧光、非共振荧光及双原子荧光;另一类是分子荧光光谱。医用激光荧光光谱主要是后一类。

    当物质分子吸收某些特征频率的光子以后,可由基能态跃迁至第一或第二电子激发态中各个不同振动能级和转动能级,处于激发态的分子通过无辐射弛豫降落至第一电子激发态的最低振动能级,然后再由这个最低振动能级以辐射弛豫的形式跃迁至基态中各个不同的振动能级,发出分子荧光,最后再无辐射弛豫至基态中最低振动能级。由荧光产生过程可知,分子荧光的产生是第一电子激发态的最低能级开始的,各荧光物质被激发到哪一能级无关。

    由荧光的发光原理可知,分子荧光光谱与激发光源的波长无关,只与荧光物质本身的能级结构有关。所以,可以根据荧光谱线,对荧光物质进行分析鉴别。

    分子荧光的强度F与激发光源的强度I0和荧光物质的浓度C成正比,其关系为:
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    F=2.3φI0εCL εCL≤0.05

    式中φ为荧光效率,ε为摩尔吸光系数,L为荧光池长度。此式可应用于物质的定量分析。

    尽管几乎所有物质都有吸收光谱,但不是所有物质都发荧光。产生荧光必须具备一定的条件:(1)该物质分子必须具有与照射光线相同的本征频率,即能吸收激光发出的光并自基能态跃迁至激发态;(2)该物质分子必须具备有较高的荧光效率。照射光越强,被激发到激发态的分子数就越多,因而产生的荧光就越强,检测时的灵敏度就越高。与普通光相比,由于激光的光子兼并度极高,其光子能量能够在空间、时间、波长和振动方向上高度集中,这就决定了激光用于肿瘤的研究、诊断、预防和治疗具有广阔前景。处于病理状态的组织或已发生了癌变的组织可使光致发光所产生的光之某些参量发生变化,收集分析这些改变了的光参量可知道被检测组织是否发生了何种病变或癌变,这就是激光诱发自体荧光诊断的应用基础。
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    所谓LIF,即在一定波长的激光激发下,处于激发态的分子在下降到基能态的过程中,仍以光量子的形式放出它所吸收的能量,这也就是荧光。因受激分子在能量上升与下降时损失了一部分能量,所以荧光的波长总比激光的波长稍长。由于回落至基能态的不同振动能级时光子携带的能量不同,所以光子的频率也不同,因而每种物质都会发出多个波长的特征荧光,不同的物质也会因此发出不同的特征荧光。因此,不同波长的激光激励同一组织,其自体荧光是有差别的;不同组织由于所含荧光物质种类及数量不同,用同种波长的激光激励,产生的自体荧光也不同。故利用自体荧光强度的不同可鉴别正常组织与癌组织,达到诊断与鉴别诊断的目的。

    将适宜波长的荧光经光导纤维收集,经过光电转换、放大、模/数转换后,输入计算机进行分析;同时建立大量原始数据库,从而得出正常组织与肿瘤组织的判别方程式或判别曲线,利用此判别方程式或判别曲线,即可判别出内镜下待检组织的类型。

    2 仪器与方法
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    2.1 仪器组成 诊断仪器主要包括激发光源、传导光纤、光耦合器、多色仪、光学多道分析系统(OMA)、计算机等。

    2.1.1 激发光源:目前常用固体激光、气体激光以及高压汞灯等。运用最广的为Nd-YAG固体激光,激发波长(370±10)nm,是属近紫外波;基次为高压汞灯,波长为400nm。

    2.1.2 传导光纤:采用同轴双路多束或双束双路石英光纤。

    2.1.3 光耦合器和多色仪:光耦合器系荧光经光纤传导至多色仪之关键器械,其性能直接影响到荧光收集信号的灵敏度;采用1200线光栅之多色仪。

    2.1.4 OMA:由PRINCETON公司提供的CCD摄录及数/模转换系统以及分析软件。

    2.1.5 计算机系统:控制OMA及分析收集之光谱特征,并存储有大量由病理切片证实的正常、肿瘤组织的荧光光谱资料,作为数据库;建立判别方程式或判别曲线,可自动实时进行光谱曲线识别,作出准确判断。
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    2.2 方法

    2.2.1 体外测量:(1)手术切除标本的光谱特征分析:George等[4]将手术切除大肠标本分为正常组织和癌组织,正常组织包括粘膜层和粘膜下层,癌组织主要取肿瘤组织。利用激光诱发其自体荧光,在380nm激发波长下,得出在420nm近正常组织、癌组织具有一固定峰出现,所发出的荧光强度依此递减,认为是与组织中胶原蛋白分型有关。同样的方法可以应用于体内诊断大肠癌。Marchesini等[5]则对大肠癌、癌前病变和正常组织的荧光特征进行较全面的分析。(2)光谱特征:由于粘膜胶原蛋白在正常组织、癌组织中类型不同,而表现在420nm处荧光强度峰依次降低,而且由于血卟啉物质在癌组织中含量明显高于息肉和正常组织,其吸收光子远大于正常组织,从而反向之荧光强度明显低于正常组织。Rmer等[6]通过对大量标本数据的分析得出结论,420nm处组织所表现荧光强度最大,正常组织的荧光强度是癌组织的2倍左右,在610nm处癌组织有一小峰出现。通过病理切片证实,并对与荧光强度有关的数个变量进行逐步判别分析,发现此法在鉴别肿瘤与非肿瘤方面灵敏度为75%,特异度为90.5%。
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    2.2.2 体内测量:(1)临床试验:目前随着各项技术日趋完善,大肠癌及癌前病变的体内荧光检测应用越来越广。Zeng等[7]和Qu等[8]采用一光纤荧光探头通过结肠镜的附加通道来激发和接收自体荧光,从而分析癌和正常组织光谱特征。采用同轴双束双路石荧光纤作探头,其中一束传递由激光产生的激发光;另一束平行光纤收集由激光诱发的组织自体荧光并传入OMA。与其他著者不同之处是Zeng将激发光采用红绿滤色片分成红绿光并采用计算机自动切换,从而可获得同一条件下红绿2种光源。(2)荧光光谱特征:经过数百例实验,大肠正常组织与癌前病变组织的平均差异表现在红绿光所激发的荧光色相不同。正常组织为单色绿光,无论怎样调节增益都如此。而如为癌前病变或癌组织,通过可调增益则表现为粉红色相。结合病理活检经统计分析此法诊断癌前病变的敏感度为100%,特异度为97%,阳性预告值为95%。

    2.2.3 临床应用:大肠癌的临床表现主要为肠刺激、体液丢失、肠梗阻和大便性状、习性改变以及便血等症状,其病理类型不同临床表现亦有不同。大便潜血试验、RPHA(反向间接血凝试验)和联苯胺法筛查大肠癌,可提高早诊率。结肠镜检可通过组织活检和涂片对疾病做最后诊断和组织学分型,但这些对早期大肠癌缺乏特异敏感度。
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    LIF进入腔内诊断已成为现实,曾堃等[9]通过314例长腔道病例分析,采用370nm激光作激发光源,利用石英光纤通过结肠镜之活检孔进入结肠等腔道,进行实时检测。LIF诊断与组织学诊断对照阳性符合率100%,阴性符合率94%。LIF的诊断标准用3个波段作为诊断依据,即(400±20)、(460±20)nm。临床报告均包括正常组织、癌组织的固有荧光谱曲线。其特征峰(460±20nm)时,正常组织峰值(荧光强度)大于癌组织2倍以上;在特征峰(400±20)nm,(670±20)nm波段时,癌组织出现小峰,而正常组织却没有此峰。

    研究表明,在正常组织、良性病变及癌变组织均有一个可以分辨的分布区域,正常组织的(460±20)nm组织峰值一般落在90%~100%区域,良性病变组织的(460±20)nm组织峰值一般落在50%~90%区域,癌变组织的(460±20)nm组织峰值一般落在10%~50%区域。以(460±20)nm做唯一标准来判别癌与非癌符合率可达到90%以上。当然采用双重标准来判别诊断,即(400±20)nm及(460±20)nm或(460±20)nm及(670±20)nm,其诊断符合率会更高[10]
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    LIF在大肠癌早期检测中,其灵敏度在局限于粘膜层癌(早期癌、原位癌)中尤其较高,因为此类早期癌最能体现出异常组织的荧光光谱特征,且又无外来物质干扰荧光;而晚期癌组织,其结构由于组织变性已大为改观,其表面聚集有多种坏死、分泌组织,掩盖了其真实荧光光谱特征,故而无法获取其固定有荧光,不过晚期癌肿已毋须LIF检验,凭肉眼及夹取活检已可确诊。所以LIF主要用于大肠癌的早期发现,解决了目前医学界传统诊疗方法的难点。

    LIF技术与医学的有机结合,为探索肿瘤早期诊断、治疗提供了一种全新思路和方法,随着各项技术的提高、完善,依据人体组织固有荧光光谱特征和建立的数据库系统,完全可以建立一实时诊断专家系统,在内窥镜检查时,可立即对大肠早期癌、癌前病变作出正确诊断。这在临床运用中具有巨大实用价值,并可推而广之应用于其它诊疗领域。尽管荧光光谱分析法诊断大肠癌及癌前病变,由于某些技术难度尚未全面展开,但其潜在巨大魅力正不断显示出来。所以LIF在大肠早期癌实用性诊断中的应用,无疑是现代诊断技术的重大变革。
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    参考文献

    1 Alfano.Fluorescence spectra from cancer and normal human breast and lung tissue.IEEE J Quantum Electron,1987,QE-23:1806-1811.

    2 Richards KR.Spectral studies of GI tissue:Optimizing excitation and emission wavelengths for discrimination of normal adematous tissue.Laser Surg Med,1989,9:21.

    3 张阳德,万小平,等 · 大肠早癌自体荧光检测系统研究:I. 大肠癌自体荧光光谱诊断研究 · 中国内镜杂志,1989,1(1):6-8.
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    4 George I,Zonio S,Robert M,et al.Morphological model of human colon tissue fluorescence.IEEE Trans Biomed Eng,1996,43(2):113-122.

    5 Marchesini R,et al.Laser-induced fluorescence spectroscopy of adenocarcinomas and non-neoplastic mucosain in human colon.J Photochem Photobiol,1992,14:219-230.

    6 Römer Tj J,Fitzmaurice M,et al.Laser-induced fluorescence microscopy of normal colon and dysplasia in adenomas;Implications for spectroscopic diagnosis. Am J Gastroenterol,1995,90(1):81-87.
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    7 Zeng Haishan,Alan W,Richard C,et al.Real-time endoscopic fluorescence imaging for early cancer detection in the gastrointestinal tract.Bioimaging(1998)6,:151-165.

    8 Qu Jiannan,Calum Macaulay,et al.Laser-induced fluorescence spectroscopy at endoscopy:tissue optics,montecarlo modeling,and in vivo measurements.Opt Eng Nov,1995,34(11):3334-3343.

    9 曾堃 · 虞震芬 · 光活检临床应用的进展 · 中华肿瘤杂志,1998,20(6):471-472.

    10 Zhang Yangde,et al.Early diagnosis of colonic cancinoma using laser-induced anutofluorescence.Endosc Radiol,1999,1(1):1., http://www.100md.com