谭, 硕

担心肿瘤切除不彻底?外表看不出异常的组织该不该切?这样的担忧和疑问恐怕不止一位病人和医生有过。

9月6日著名期刊《科学转化医学》杂志以封面的形式发表的重磅研究成果,也许将打消这些顾虑。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发了一种方便快速的笔形探测器,能在10秒之内确定手术切缘组织的良恶性状况,用时是现行病理诊断手段的1/150[1]!

 

哪里不清楚?那就点哪里!
哪里不清楚?那就点哪里!

 

手术切除实体肿瘤时,对切缘性质的判断是非常关键的。以乳腺癌治疗的保乳术为例,要判定癌灶与正常组织的界限,既要保证尽可能全部切除癌组织,让手术切缘没有癌细胞残留,又要尽可能保留正常组织,以达到外表美观的目的。而对肺癌、卵巢癌等癌症,若手术切除后仍留有癌灶残余,原处复发往往预后不良。因此,完整切除肿瘤并进行准确的切缘判断是手术高质量的体现

但到底切除范围多大,才能实现完整切除不留后患呢?临床实践中并没有统一的标准,手术中更多要依靠术者根据术前检查结果、肿瘤形态、切除组织量对正常生理功能的影响等因素进行判断,这就为癌症复发留下了可乘之机。

本期《科学转化医学》封面
本期《科学转化医学》封面

 

当然,医生们也并非全靠着经验和感觉行事,冰冻切片检查可以在手术过程中快速提供病理诊断,但这一方法也存在明显的局限性。冰冻制片过程会影响组织结构和癌细胞形态,因此阅片医生需要丰富经验进行精准判断。虽然相对快捷,但冰冻切片检查过程一般也需要30-40分钟手术时间延长也会带来病人出现麻醉意外的风险。而如果将病理诊断放到术后进行,若手术切缘的确有癌组织残留,病人可能又要再次经历手术,医疗花费增加、手术并发症风险等一系列问题随之而来[2]。

 

 

针对这一问题,近年来也不断有新的技术手段和理念被提出,如术中荧光染色法[3]、拉曼光谱技术[4]、质谱分析法[5]等。基于质谱分析法的多种手段已在开发和应用中,如电喷雾解析质谱(DESI-MSI)、基于快速蒸发电离质谱的智能电子手术刀iKnife[6]等。

智能手术刀iKnife
智能手术刀iKnife

 

这些方法虽然有着较高的准确性,但也有着各自的局限性。DESI-MSI需要高电压产生电喷雾,限制了其进入手术室实时应用的能力,而iKnife则需对组织进行切除后再作判断。能否有一种无创且便于推广的手段,实现手术过程中的快速病理定性呢?

 

Livia Ebervin带领的德克萨斯大学奥斯汀分校研究团队也许找到了答案。她们开发出了一种实时组织学诊断设备,命名为MasSpec Pen。这支“神笔”是多学科共同努力的结晶,Ebervin带领的化学团队、Thomas Milner教授带领的生物医学工程团队、贝勒大学医学院和MD安德森癌症中心的病理学研究人员携手完成了开发工作。

 

Livia Eberlin教授(左)和论文第一作者张佳玲博士(右)
Livia Eberlin教授(左)和论文第一作者张佳玲博士(右)

 

MasSpec Pen的整套设备主要由三个部分组成:一台微量注射泵、双向活瓣导管和形状与一支笔相似的手持探测器。当然,旁边的质谱分析仪也是必不可少。相信看过示意图,很多外科医生会对它的控制方式感到颇为亲切。这不就像整天握在手中的电刀嘛!

 

MasSpec Pen设备示意图
MasSpec Pen设备示意图

 

用Eberlin教授自己的话来简单介绍一下MasSpec Pen的工作原理:“随着生长失控,肿瘤细胞的代谢会出现明显失调,与正常细胞的差异极大,因此我们用MasSpec Pen对组织进行像采集指纹一样的提取和分析。通过简洁和平缓的化学过程,MasSpec Pen就能在不造成组织损伤的状况下迅速提供给我们诊断所需的分子信息。[7]”

 

以下两张动图可以更好地诠释MasSpec Pen的工作流程。

 

探测器注入极微量的水,提取出病人体内的小分子物质
探测器注入极微量的水,提取出病人体内的小分子物质

 

提取物传递到质谱分析仪,进行良恶性的判断
提取物传递到质谱分析仪,进行良恶性的判断

 

整个过程中,探测器接触组织的时间仅需3秒,而判断可在10秒钟之内完成。

当然,为了实现良恶性的判断,还需要首先收集到用来判断的数据。研究人员先从正常的组织中获取了相关的数据图谱,并与DESI-MSI法的结果进行了比对,结果基本一致。再用同样的手段进行对癌组织的检测,标定出与正常组织明显不同的图谱表现,就让“神笔”有了判断的基础。

 

正常组织(上)和癌症组织(下)的质谱图对比
正常组织(上)和癌症组织(下)的质谱图对比

 

在实现快速判断的同时,MasSpec Pen的损伤也是极小,相比大手术时动辄十几公分的切口,下图里400微米的取样,基本可以称为完全无创了。

 

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是时候把“神笔”投入实战了。使用MasSpec Pen,研究人员对包括肺、卵巢、甲状腺、乳腺在内的253份人体组织样本进行检查,其中近半为癌症组织,而这些癌症每种都会出现不同的质谱图。MasSpec Pen的表现没有让人失望,数据分析的结果显示,它的诊断特异性达到了96.2%,敏感性为96.4%

 

MasSpec Pen对不同类型肿瘤的判断精确度均很高
MasSpec Pen对不同类型肿瘤的判断精确度均很高

 

研究人员随后对MasSpec Pen能否准确区分组织学上的良恶性区域边界进行了测试,同样得到了令人满意的结果,MasSpec Pen的判断与病理诊断结果几乎完全相同。

 

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为继续验证MasSpec Pen的准确性,研究人员决定在小鼠模型上进行进一步的活体试验。在向小鼠植入乳腺癌细胞并培养后进行手术切除,再用MasSpec Pen进行取样检测,分析的结果也清晰地显示出了正常组织与癌组织的不同

Livia Eberlin教授对“神笔”的临床前景抱有很高的期待。“和术后的癌症病人交谈时,很多人说的第一句话就是:‘希望医生们把肿瘤彻底切干净了’。若情况并非如此,就真的很让人伤心。我们的成果可以大幅提高外科医生手术中真正彻底切除肿瘤所有部分的概率。”

Eberlin团队成员,毕业于北大化学与分子工程学院的论文第一作者张佳玲则说:“在设计MasSpec Pen时,我们就确定只有探测器的探头和注入的水会与组织产生接触,从而保持组织的完整性。它有很高的生物兼容性和自动化水平,我们对将它转入临床使用极其兴奋。”[7]

 

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Eberlin教授希望,这一研究成果能在2018年进入临床开展初步的验证[8]。不过只研发出“神笔”,并不能解决投入临床实践面临的所有问题,首当其冲的拦路虎就是质谱分析仪的配备问题。由于价格高昂(在美国可达50万美元一台),质谱分析仪往往多见于实验室,在手术室中相当少有

对此Eberlin教授表示,她设想开发一种体积更小、仅保留MasSpec Pen配套功能,从而更加廉价的质谱分析仪,应用于手术室环境。这一想法也并非不切实际,佐治亚大学的研究人员今年就曾在《自然·纳米技术》上发表相关的研究[9]。

MasSpec Pen的功能或许不仅限于判断肿瘤的切除程度。在获取更多数据建立大规模的数据库后,研究人员还希望将它与腹腔镜手术系统、机器人手术系统等微创技术和可视化技术结合,从而促进更广泛的临床应用

《科学转化医学》用“笔比手术刀还神奇?”来形容此次的成果。奇点糕衷心希望,这样一种简洁、快速、准确的诊断手段能尽快进入临床,帮助外科和肿瘤医生。

 

参考资料:

1.http://stm.sciencemag.org/content/9/406/eaan3968

2.Buchholz T A, Somerfield M R, Griggs J J, et al. Margins for breast-conserving surgery with whole-breast irradiation in stage I and II invasive breast cancer: American Society of Clinical Oncology endorsement of the Society of Surgical Oncology/American Society for Radiation Oncology consensus guideline[J]. Journal of clinical oncology, 2014, 32(14): 1502-1506.

3.Stummer W, Pichlmeier U, Meinel T, et al. Fluorescence-guided surgery with 5-aminolevulinic acid for resection of malignant glioma: a randomised controlled multicentre phase III trial[J]. The lancet oncology, 2006, 7(5): 392-401.

4.Jermyn M, Mok K, Mercier J, et al. Intraoperative brain cancer detection with Raman spectroscopy in humans[J]. Science translational medicine, 2015, 7(274): 274ra19-274ra19.

5.Chughtai K, Heeren R M A. Mass spectrometric imaging for biomedical tissue analysis[J]. Chemical reviews, 2010, 110(5): 3237-3277.

6.Balog J, Sasi-Szabó L, Kinross J, et al. Intraoperative tissue identification using rapid evaporative ionization mass spectrometry[J]. Science translational medicine, 2013, 5(194): 194ra93-194ra93.

7.https://news.utexas.edu/2017/09/06/new-device-accurately-identifies-cancer-in-seconds

8.https://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/devices/handheld-mass-spectrometry-pen-identifies-cancer-in-seconds-during-surgery

9.Li A, Zi Y, Guo H, et al. Triboelectric nanogenerators for sensitive nano-coulomb molecular mass spectrometry[J]. Nature Nanotechnology, 2017, 12(5): 481-487.

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