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英国首例,新激光探测仪

2019-08-30 09:48

外科医生听“声”辨细胞好坏

英国首例:成功运用激光探测和智能刀精确切除脑部肿瘤 图片 1

在脑外科手术中,医生的眼睛在显示屏和病人间来回穿梭会影响他们的专注力。据《新科学家》杂志网站11月7日报道,英国几个大学和医院的科学家合作开发出一种激光探测仪,能把脑细胞光谱信号转换成音频,让医生通过“听”来辨别癌细胞与健康细胞。新技术能帮助医生更快速、更安全地完成脑外科手术。

英国《自然·生物医学工程》杂志近日在线发表的一篇论文,描述了一种进入肿瘤后发出荧光的纳米探针,可在癌症手术时作为通用显像剂。研究团队在小鼠实验中成功使用了这种类似晶体管的探针,并发现其能标记出直径小于1毫米的肿瘤结。

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ReubenHill,22岁,在读博士,脑部患有肿瘤。他成功接受了一场特殊的脑部肿瘤切除手术:术中采用了两个新技术——激光探测和智能刀。作为实验室成果运用到手术室的成功案例,这场开创性手术是精确外科手术的重大改革。

新激光探测仪在去年研发基础上改进而成。之前的探测仪也能帮助医生辨别脑内癌细胞所在区域,但只能通过显示屏可视化呈现。而新探测仪能将图谱信号转换成音频信号,使医生能“听”出脑内癌细胞,从而将眼睛集中于手术切除部位。参与研究的斯特拉斯克莱德大学的马修·贝克表示,新技术能精准地发出信号指导,让医生“目不转睛”地专注于手术。

目前对许多癌症,尤其是早期或较早期的实体肿瘤来说,手术切除仍是主要的治疗方案。因为在理论上,若是以手术完全移除肿瘤细胞,癌症是可以被治愈的。在切除肿瘤时,医生需要确保没有遗漏癌细胞,尤其是在肿瘤边缘位置的。图像引导手术能帮助医生探测到遗留的肿瘤组织,找到大小可见的肿瘤结节。然而,现有的癌症手术显像技术敏感度和特异性尚不足,因此可能会将非癌变组织,比如棕色脂肪组织等代谢活动较快的组织,误认为肿瘤组织。

声音将指导外科医生辨别其除掉的是癌变还是健康细胞。

脑部肿瘤对生命的威胁超过其他任何一种肿瘤,因为它比较罕见且多发于年轻群体。对它的治疗首选脑部手术,以达到切除肿瘤的目的。

激光探测仪的工作原理基于拉曼光谱学,可向脑细胞发出激光,并对反射回来的光谱进行分析,形成一个类似细胞指纹的光谱图。光谱图的形状能告诉医生所照射细胞是否癌变。研究团队这次为探测仪安装了一套全新的音频信号软件,该软件能够捕获图谱信号的重要特征,并将这些信号特征转换成声音。

此次,美国得克萨斯大学西南医学中心研究人员布兰·萨摩儿、高金明及其同事,合成了一种携带已被临床批准的荧光染料的纳米粒子探针。纳米探针是一种能探测单个活细胞的新型超微生物传感器,而采用的染料与手术室使用的标准相机是兼容的。使用这种静脉注射的纳米探针,只会在进入肿瘤时显著发亮。与只在电压超过一定阈值时开启的晶体管类似,纳米探针只在酸性的PH值下“开启”,这是几乎所有实体肿瘤的标志。

图片来源:Dr P. Marazzi/Science Photo Library

脑部肿瘤切除手术具有很大的难度,因为神经组织交错复杂,肿瘤组织又这些精密结构相连,有时候外科医生通过显微镜都很难看清楚组织结构。同时,切除癌变组织面临着很大风险,因为手术刀必须严格确保在不破坏周围的正常脑组织的前提下,把肿瘤组织切除干净。一旦切到健康组织,会导致严重的副作用,例如丧失说话、听觉等功能。

初步检测结果表明,只用耳听,医生依靠激光检测仪辨别出健康细胞和癌变细胞的准确率高达70%。贝克表示,虽然比看光谱信号90%的准确率要低,但他们有信心通过改进继续提高。

在将这种探针用于图像引导手术,切除小鼠的头部和颈部肿瘤的过程中,研究团队发现,该纳米探针提供了前所未有的特异性和敏感度,能标记出直径小于1毫米的肿瘤结节,且能避免假阳性结果。

移除脑部肿瘤需要稳健的双手和有经验的眼睛。很快,灵敏的耳朵也将变得至关重要。一项日前发表于《分析家》杂志的研究显示,声音将指导外科医生辨别其除掉的是癌变还是健康细胞。

此外,目前的医疗水平要求外科医生将切除的组织送去实验室进行活检,以检测它是否病变。这个过程每次都需要30分钟。

对脑癌患者来说,癌变细胞未清除干净会留下复发和转移隐患,而切除健康细胞,神经功能又会受到损害,造成严重的副作用。下一步,他们将争取早日对激光检测仪进行临床试验,以帮助医生尽量将癌变脑细胞清除干净,又不会切除健康细胞。

在最近进行的脑部手术中,外科医生利用激光探针帮助确定脑部肿瘤从哪里开始以及结束。表明细胞是健康还是发生了癌症的信号可在屏幕上得到直观的展示。

新型激光探针和智能刀大大降低了上述手术风险,且能够向外科医生即时提供组织是否癌变的信息。利用激光探测区分癌变组织和健康组织,且激光能够为外科医生提供肿瘤的映射,达到精确的切除水平。

如今,这种信号被改造成音频形式,目的是让外科医生“听”癌症,从而使其将视觉注意力放在正在切除的部位上。这一进步或许会让脑部手术进行得更快、更安全、更成功。

智能刀,也称iKnife,,能在数秒间确定切下的组织是否癌变,不需要接受活检。它由电子手术刀组成。这种电子手术刀能够灼烧切下的组织,通过烟雾分析组织病变与否。

“我们已经展示了如何通过一种使外科医生将注意力保持在手术刀上的方式,为其提供准确的指导。”来自英国斯特拉斯克莱德大学的Matthew Baker表示。

激光探针 智能刀,大大提高切除脑部肿瘤的准确性

来自爱丁堡大学的Adam Waldman则认为,虽然新的音频信号软件尚未在临床情形下得以测试,但将被证明是一种有用的手术工具。

激光探针,利用拉曼光谱分子从组织中反射回来的光进行组织区分,由加拿大温哥华VerisanteTechnology公司研发提供。Vaqas表示,这是第一次将拉曼光谱应用于人脑部手术的成功案例。

该 软件通过利用拉曼光谱区分健康和癌变细胞的手持探针发挥作用。此项技术涉及向细胞发射激光并且分析光线如何反弹回来。获得的结果将产生一个图形。通过研究 图形形状,便有可能辨别出探针停留在癌变还是健康细胞的上方。这有助于外科医生移除尽可能多的肿瘤并且避开非癌变细胞。

iKnife由伦敦帝国理工学院的ZoltanTakats教授提出。电外科的烟雾能够作为生物信息的重要资源,烟雾的化学成分由质谱分析仪分析。

自2015年起,探针技术已在加拿大和英国试验成功。Baker及其团队希望,他们的音频信号软件将进一步改进该方法。

Hill表示,当他得知自己的病情,很受打击。但是当他有机会接受这项开创性手术时,他毫不犹豫地签署。这得益于物理知识的学习,他能够理解“激光探针如何准确定位癌变组织的位置”。

手术的主刀医生、神经外科医生BabarVaqas说:“脑部手术通过这两种创新性技术大大增强了切除肿瘤的精确性和安全性。这意味着病人将降低承受手术副作用的风险。”

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