用于评估近红外荧光成像在乳腺癌手术中潜在应用的组织模拟体模

摘要

近红外荧光（NIRF）成像技术可通过实现术中肿瘤定位及手术切缘状态评估，提高乳腺癌手术的治疗效果。利用含有模拟荧光肿瘤包埋物的组织模拟乳腺 phantom，可对乳腺癌患者中NIRF成像的潜在临床应用进行评估，以实现标准化和培训目的。

摘要

术中肿瘤定位及手术切缘状态评估的不准确会导致乳腺保留手术（BCS）的治疗效果不理想。光学成像，特别是近红外荧光（NIRF）成像，可通过为外科医生提供术前和术中实时肿瘤定位工具，减少BCS术后切缘阳性的发生率。本研究出于标准化和培训目的，采用模拟乳腺组织的体模评估NIRF引导下BCS的潜在应用价值。

使用光学特性与正常乳腺组织相似的乳腺仿体来模拟乳腺保乳手术。在仿体中预设位置嵌入含有荧光染料吲哚菁绿（ICG）的模拟肿瘤包埋物，并用于术前和术中肿瘤定位、实时近红外荧光（NIRF）引导下的肿瘤切除、NIRF引导下的手术范围评估，以及术后对手术切缘的评估。成像过程采用定制的NIRF相机作为临床原型设备。

含有模拟肿瘤包埋物的乳腺仿体为术中肿瘤成像的模拟与评估提供了一种简单、经济且多功能的工具。这种凝胶状仿体具有与人体组织相似的弹性特性，可使用常规外科器械进行切割。此外，仿体中含有血红蛋白和脂肪乳，分别用于模拟光子的吸收和散射特性，从而形成与人体乳腺组织相似的均匀光学特性。近红外荧光（NIRF）成像的主要缺点是光子在组织中传播时穿透深度有限，这限制了采用背向照明策略对深部肿瘤进行（无创）成像的能力。

引言

对于患有 T₁-T₂ 期乳腺癌的患者，保乳手术（BCS）联合放疗是标准治疗方案^1,2。术中对切除范围评估不准确，导致接受保乳手术的患者中有 20% 至 40% 出现切缘阳性，从而需要追加外科手术干预或放疗^3,4,5。尽管广泛切除邻近的正常乳腺组织可能降低切缘阳性的发生率，但这会损害术后美观效果并增加并发症风险^6,7。因此，亟需开发可在术中提供原发肿瘤位置及切除范围反馈的新技术。光学成像，尤其是近红外荧光（NIRF）成像，有望通过为外科医生提供实时的术前和术中肿瘤定位工具，降低保乳手术后切缘阳性的发生率。近期，我组报道了针对卵巢癌患者开展的首项人体试验，证实了肿瘤靶向荧光成像技术可高灵敏度地检出原发肿瘤及腹腔内转移灶的可行性⁸。然而，在开展乳腺癌患者的临床研究之前，已可利用模型系统对多种肿瘤靶向 NIRF 成像技术在保乳手术中的应用可行性进行临床前评估。

以下研究方案描述了近红外荧光（NIRF）成像在含有模拟肿瘤荧光包埋物的组织模拟乳腺模型中的应用⁹。这些模型提供了一种经济且多功能的工具，可用于模拟术前及术中肿瘤定位、实时NIRF引导下的肿瘤切除、手术切缘状态评估以及残余病灶的检测。这些凝胶状模型具有与人体组织相似的弹性特性，可使用常规外科器械进行切割。在模拟手术过程中，外科医生依靠触觉信息（针对可触及的包埋物）以及对手术区域....

方案

1. 制备用于模拟肿瘤包埋物的硅胶模具

1. 收集具有理想形状和尺寸的固体物品，用作模拟肿瘤包埋物的模型， 例如， 珠子或弹珠
2. 彻底清洁肿瘤模型。为便于从硅胶模具中顺利取出，可在肿瘤模型表面喷洒防粘喷雾，或涂覆一层薄薄的凡士林或蜂蜡。
3. 将每个模型放入一个单独的薄壁方形（塑料）盒中，盒内表面应光滑。如有必要，将模型固定在盒子底部以保持其位置。所用盒子应略大于肿瘤模型本身，以避免浪费过多的硅胶。
4. 将所需量的硅胶组分A倒入混合容器中，按10:1的质量比加入硅胶组分B，充分混合两种组分。可选地，可使用真空泵去除硅胶混合物中的气泡。
5. 将硅胶混合物轻轻倒入塑料盒中，以防止混入气泡。硅胶混合物应在45分钟内完成处理，以获得最佳效果。
6. 让硅胶混合物固化至少6小时，然后切割模具并取出肿瘤模型。可选地，可将硅胶模具切成锯齿状，以便其整齐地重新贴合。硅胶在3天后达到最大强度。

2. 配制 Tris 缓冲盐溶液

1. 通过将 6.1 g（50 mM）Tris 和 8.8 g（150 mM）NaCl 加入 800 ml 去离子水中，配制 Tris 缓冲盐水（TBS）溶液。
2. 加入 1.0 g（15 mmol）NaN₃ 以阻断血红蛋白的氧化（步骤 3.3 和 4.4），并抑制细菌生长。注意：NaN<....

结果

本研究的结果此前已在其他地方报道过⁹。

我们的数据显示，近红外荧光（NIRF）成像可用于检测模拟乳腺组织的体模中荧光肿瘤模拟病灶，从而模拟乳腺癌患者中NIRF引导下的保乳手术。利用我们的体模模型，我们发现术中肿瘤定位、NIRF引导的肿瘤切除、术中对手术腔边缘的评估以及残余病变的检测均具有可行性（图2）。简而言之，共制作了四个乳腺体模，每个体模均包含两个具有不同尺寸和/或形态的荧光病灶（表1）。

使用常规外科手术器械，从第一个和第二个乳腺模型中手术切除荧光模拟肿瘤的包埋物。切除过程通过触诊及对术区的肉眼观察进行引导。要求外科医生对模型乳房进行操作，直至完全切除模拟肿瘤的包埋物。随后，应用定制的荧光相机扫描手术腔，以检测是否存在残留的荧光信号。若发现强残留荧光信号，提示切除不完全，则要求外科医生在实时近红外荧光（NIRF）引导下切除残留的包埋物。在模型#1和#2中，两个模拟肿瘤包埋物中的一个切除不完全，表现为手术腔内存在强残留荧光信号。在首次.......

讨论

我们通过使用带有模拟肿瘤包埋物的乳房形状仿体，模拟了近红外荧光（NIRF）引导下的保乳手术（BCS）潜在临床应用。使用自行构建的NIRF相机系统，术中肿瘤定位、NIRF引导的肿瘤切除、手术范围评估以及术后手术切缘评估均被证实可行。对于位于仿体组织深度2 cm或更浅位置的荧光模拟肿瘤包埋物，可实现无创检测。然而在术中，由于保乳手术本身的特性，即外科医生会通过切开覆盖组织将目标组织暴露至更接近表面的位置，因此信号穿透深度有限的问题在很大程度上得以解决。

术中近红外荧光（NIRF）成像具有一些重要优势，包括无电离辐射、技术安全性高以及分辨率高^9,14。此外，该技术可为外科医生提供有关手术范围的实时反馈，并允许将荧光图像与手术区域的彩色图像即时融合，从而更准确地定位荧光信号¹³。

如前所述，近红外荧光（NIRF）成像的一个重要缺点是光学信号在组织中的穿透深度有限，这是由于某些组织成分对光子的吸收和散射所致^10,11。为了匹配正常乳腺组织的光学特性，在我们的仿体中分别添加.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
牛血红蛋白	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, 荷兰	H2500	模拟光子在组织中的吸收
20% Intralipid	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, 荷兰	I141	模拟光子在组织中的散射
硅胶 A 透明 40（双组分加成型聚硅氧烷）	NedForm, Geleen, 荷兰		包装包含组分 A 和 B，应按 1:1 混合（A:B=10:1）。  厂家页面链接：http://tinyurl.com/ncjq7jx
明胶 250 Bloom	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, 荷兰	48724	用于构建乳房形状的仿体
琼脂糖	Hispanagar, Burgos, 西班牙		用于构建模拟肿瘤的包埋物
Tris	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, 荷兰	T1503
HCl	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, 荷兰	258148
NaCl	Sigma-Aldrich, Zwijndrecht, 荷兰	S9888
NaN3	Merck, Darmstadt, 德国	822335	警告：剧毒。该化合物的毒性与可溶性碱金属氰化物相当，成人致死剂量约为 0.7 克。
术中应用的近红外荧光（NIRF）成像设备示例：
T2 NIRF 成像平台	SurgVision BV, Heerenveen, 荷兰		本研究中使用的定制 NIRF 成像系统。更多详情请访问 www.surgvision.com
Photodynamic Eye	Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH, Herrsching am Ammersee, 德国	PC6100	www.iht-ltd.com
FLARE 成像系统套件	The FLARE Foundation Inc, Wayland, MA, 美国		www.theflarefoundation.org
Fluobeam	Fluoptics, Grenoble, 法国		www.fluoptics.com
Artemis 手持式相机	Quest Medical Imaging BV, Middenmeer, 荷兰		www.quest-mi.com
术中应用的近红外荧光染料示例：
吲哚菁绿	ICG-PULSION,  Feldkirchen, 德国	PICG0025DE	本研究中使用的临床级 NIRF 成像荧光染料。更多详情请访问 www.pulsion.com
IRDye 800CW NHS 酯	LI-COR Biosciences, Lincoln, NE, 美国	929-70021	www.licor.com