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  分子影像学杂志  2018, Vol. 41 Issue (2): 189-195  DOI: 10.3969/j.issn.1674-4500.2018.02.14
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引用本文 

黄陆茂, 辛学刚 . 腹部术中输尿管实时识别研究进展[J]. 分子影像学杂志, 2018, 41(2): 189-195. DOI: 10.3969/j.issn.1674-4500.2018.02.14
HUANG Lumao, XIN Xuegang . Research progress of real-time identification of ureter during abdominal surgery[J]. Journal of Molecular Imaging, 2018, 41(2): 189-195. DOI: 10.3969/j.issn.1674-4500.2018.02.14

基金项目

国家自然科学基金面上项目(61528102,61671229),广东省自然科学基金(2015A030313234),广东省省级科技计划项目(2016A050502026),科技开发培育计划(KJ20160519)

作者简介

黄陆茂,硕士研究生,E-mail: huanglumao123@sina.cn

通信作者

辛学刚,教授,博士生导师,E-mail: xxg@smu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2018-01-28
腹部术中输尿管实时识别研究进展
黄陆茂, 辛学刚     
南方医科大学生物医学工程学院生物医学工程系,广东 广州 510515
摘要:在腹部外科手术过程中,医源性输尿管损伤虽然较罕见,但是一旦发生损伤将会产生严重的并发症,如腹腔感染、输尿管瘘、肾衰竭等。为了降低腹部术中医源性输尿管损伤的风险,术中实时在体输尿管可视化的医学成像技术被广泛地研究与应用,如预防输尿管导管置入术(或发光输尿管支架置入术)、gamma探测技术、荧光成像技术。然而这些技术目前仅有荧光成像技术可以达到无创、无电离辐射、可实时在体获取输尿管的位置信息。相关研究已证实了应用荧光成像技术结合外源荧光染料的使用在腹部术中实时在体可视化输尿管位置信息的可行性,并取得重要的进展。本文就近年来应用荧光成像技术和外源荧光染料(荧光素钠、亚甲基蓝、吲哚、CW800-CA、ZW800-1)在腹部术中输尿管实时识别的研究进展做一综述。
关键词:输尿管    荧光成像技术    荧光染料    
Research progress of real-time identification of ureter during abdominal surgery
HUANG Lumao, XIN Xuegang     
Department of Biomedical Engineering, Southern Medical University, Guangzhou 510515, China
Abstract: Rare as iatrogenic ureteral injuries are during abdominal surgery, injury can cause serious complications, such as abdominal infection, ureter fistula, kidney failure, etc. In order to reduce the risk of iastrogenic ureteral injury, medical imaging technologies which enable real-time ureter visualization have been widely studied and clinically applied, such as prophylactic ureteral catheterization (or luminant ureteral stent), gamma detection technique, and fluorescence imaging technology. However, at present only fluorescence imaging technology can acquire the location information through real-time ureter visualization while being non-invasive and having no ionizing radiation. Relevant studies have proved that real-time identification of the ureter during surgery using fluorescence imaging technology combined with exogenous fluorescence dye is feasible and have made important progresses. This review summarizes the recent progress in the research of real-time identification of ureter using fluorescence imaging technology and exogenous fluorescent dye (fluorescein sodium, methylene blue, indocyanine, CW800-CA, and ZW800-1) during abdominal surgery.
Key words: ureter     optical imaging technology     fluorescent dye    

在腹部外科手术中,输尿管的识别与保护是至关重要的。输尿管位于腹壁后方,处于比较特殊的位置。临床实践中,医生凭借实践经验,通过触摸及按压,观察管道内液的流动情况,若是输尿管,管道内液呈不连续的蠕动,来判断输尿管的位置。然而在实践过程中仍然存在偶发医源性输尿管的损伤。据研究报道在腹部手术特别是妇科外科手术中,医源性输尿管的损伤高达10%[1]。虽然医源性输尿管损伤很罕见,但是一旦发生输尿管损伤,将会产生严重的并发症,例如腹腔感染、输尿管瘘、肾衰竭等[1]。因此在手术过程中准确无误识别输尿管并将其保护起来是极其重要的步骤。然而现有的医学成像技术如磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)、超声、正电子发射断层成像、单光子计算机断层扫描、静脉肾盂造影术, 逆行性肾盂造影术、泌尿道计算机断层扫描、gamma探测技术、输尿管插管术[2]。前几种只能进行术前成像定位,转化到术中外科医生根据术前影像相关信息及实践经验大致判断输尿管的走向,缺乏实时性,而且有些成像技术会对患者产生电离辐射,并且费用较高。而gamma探测技术、输尿管插管术虽然能实现实时术中成像。但gamma探测技术通过向患者静脉注射放射性药物(锝),再通过gamma探测仪探测来提供输尿管的定位信息。进行该项操作需要专门安排一个放射核医师,而且会产生电离辐射,长久以往将损害医护人员健康[3]。输尿管插管术是通过事先放置输尿管支架(或者发光的输尿管支架),术中外科医生通过手的触摸或眼睛观察对输尿管进行识别判断,虽然达到术中实时定位输尿管,但这种有创的方法不仅会额外增加病人疼痛,还延长手术时间,增加手术费用,而且术后会产生血尿、尿路感染等症状[4-5]。因此这两种方法没能得到广泛的应用。

光学成像技术凭借着无电离辐射、无创、非接触、可实时在体成像等优点,广泛应用于术中影像导航,如在肿瘤切除,淋巴结清除、血管定位等中扮演着重要的角色,而备受青睐。特别是近红外荧光成像,相关研究表明影响组织穿透深度主要是组织对光的吸收与散射[6]。而在近红外波段中活体组织(主要血红蛋白、水、脂肪)对近红外光呈现低吸收、低散射、低自体荧光的特点,即组织穿透深度较深[7]。近几年来,学者逐渐将荧光成像技术结合荧光染料运用于术中输尿管识别的研究中。本文将综述近年来利用荧光成像技术结合特定荧光染料在动物或临床的开放性腹部手术及腹腔镜腹部手术术中输尿管识别应用的相关研究。

1 荧光成像原理

荧光成像是由激发光源发出一束特定波长的光,辐照靶区,靶区内的荧光基团分子吸收特定波长的光子,受激发后基态分子中的电子向高能级轨道跃迁变成激发态。当激发态分子回到基态时,以光子辐射的形式释放出能量,即产生荧光。整个过程是吸收光子与发射光子之间的能量转换引起的波长的变化(波长短能量高的吸收光谱转换成波长长能量低的荧光),即斯托克斯位移[8]。靶区发射回来的光(激发光、荧光等)经特定的干涉滤光片进入CDD相机进行光信号与电信号的转换,电信号在经信号后处理工作站进行增强、放大等处理,最后输出显示在荧屏上,即荧光成像。

2 荧光染料特性

最佳的荧光成像不仅与成像系统软硬件有关,还与所选的荧光染料特性有关。尤其是在生物体的荧光成像中,荧光染料需满足下列几项特性指标:波长、量子产率、溶解性、光漂白、非特异性结合、信背比、清除率和毒性,这些特性将直接或间接影响荧光成像的效果[9]

2.1 波长

首先,荧光尽可能在组织中传播最大的距离。限制组织穿透力的因素主要是组织对光的吸收与散射。据相关研究报道在光谱中活体组织(主要血红蛋白质、水、脂肪)对近红外光(700~900 nm)呈低吸收、散射、自体荧光。低于700 nm的荧光染料由于波长太低而无法被探测,并且在组织中的吸收与散射系数大,即组织穿透深度只有几百微米[10-11]。而700~900 nm波段之间由于组织吸收、散射率低的特点,相应组织穿透深度可达几厘米。大于900 nm波长的荧光染料,一般很少作为生物光学成像的荧光剂,组织中的水在该波段有强烈的吸收峰[12]。为了有较深的组织穿透深度,在生物光学成像中应尽可能选用吸收与荧光光谱在700~900 nm范围内的荧光染料。

2.2 量子产率

量子产率是指发射光子数与吸收光子数的比值,最大的荧光量子产率是100%。它反应荧光产生过程的效率。荧光染料量子产率一般在0.1~1,通常被认为是有荧光,量子产率低于0.1的荧光染料,由于荧光辐射极低几乎可以忽略不计。

2.3 溶解性

荧光染料运用于在体或者离体的生物成像时,首先必须保证荧光染料有较高的溶解性,使其经皮下或者静脉注射后能在体内更好的循环和代谢到特定的组织、器官(血管、淋巴等)中。

2.4 光漂白

光漂白是荧光基团的光化学的破坏,指在激发光源的照射下荧光基团所激发出来的荧光强度随着时间推移逐步减弱,甚至消失的现象。然而荧光成像质量又与荧光信号强弱息息相关。虽然提高激发光强度可以提高信号强度,但是激发光强度不可无限提高,因为当激发光的强度超过一定限度时,光吸收就趋于饱和,并不可逆地破坏激发态分子,即光漂白现象。在实际运用中,对于有机荧光染料,激发光积分通量一般应低于50 mW/cm2[13]。即荧光染料光漂白越低,稳定性越高,其潜在运用价值越高

2.5 非特异性结合

非特异性结合是指荧光染料在生物体内与组织非特异性结合。非特异性结合越高其背景荧光越强,即信噪比越低,越不利于靶向组织或器官的观察与探测。因此最佳的荧光染料应当是与组织非特异性结合越低越好。

2.6 信背比

信背比(Signal-to-background ratio,S/N)是衡量生物成像的一个重要标准[14]。信背比是靶组织荧光信号减去感兴趣区背景荧光信号,再除以感兴趣区的背景荧光信号[15]。即信背比越高则成像效果越好。计算公式:TBR=(FI of target - FI of background)/FI of background。

2.7 清除率与毒性

荧光染料除了物理特性外,在实际运用中毒性与清除率也是重要考虑的参数之一。游离的荧光染料的清除率是衡量染料毒性的重要参数之一,也是影响背景光的重要参数之一。因为游离的荧光染料若不能迅速清除,会积累在非靶向组织中。即理想的荧光染料应当能迅速的从生物体内清除。

到目前为止,很多荧光染料已经广泛应用于组织荧光成像中,例如荧光素钠、亚甲基蓝、CY5.5、吲哚菁绿、IRDye800-CA、ZW800-1等.其中荧光素钠、亚甲基蓝、吲哚菁绿是已经获得FDA批准可应用于临床的荧光染料。然而,目前已经应用于在体腹部开放性或腹腔镜术中输尿管识别的荧光染料只有荧光素钠、亚甲基蓝、吲哚菁绿、IRDye800-CA、ZW800-1.除荧光素钠,其他4种是属于近红外光荧光染料。下面将从荧光染料的性质及其与荧光成像技术结合应用在输尿管识别中的研究现状进行阐述。

3 在体输尿管识别研究现状 3.1 荧光素钠

荧光素钠是一种呈黄色的水合有机染料于1905年由Professor Johann Friedrich Wilhelm Adolf Baeyer发现。其吸收峰为488 nm,发射峰515 nm。荧光素钠是已获FDA和欧盟药品管理局批准可用于临床的荧光染料,广泛应用于黄斑变性相关的脉络膜新生血管化探测[16-17]、术中冠状动脉造影[18-19]等。由于其经静脉注射后大部分是经过肾脏代谢,最终以尿液的形式排出体外。因此研究人员开始着手利用荧光素钠辅助腹部术中输尿管的识别。如1988年Udshmadshuridze等[20]利用荧光素钠在12名患者身上实现术中输尿管的可视化识别研究。2014年Dip等[21]利用荧光素钠在体内代谢途径的特点进行老鼠腹部术中辅助输尿管识别的实验。20只wistar鼠(平均体质量250 mg)分别静脉注射剂量为7 mg/kg的荧光素钠,并进行中线处剖腹手术,同时用Storz xenon light source and laparoscope进行激发成像。实验发现用氙灯对感兴趣区进行激发可以识别肾脏和膀胱,无法可视输尿管。当转用530 nm的激发光源,不仅能看到输尿管的位置信息和输尿管里尿液的蠕动方向,而且还能清楚可视输尿管旁的血管结构信息。此研究说明荧光素钠在530 nm的激发光照射下可用于辅助腹部解剖术中输尿管的实时识别。由此可见,荧光素钠在在体腹部术中输尿管识别的研究还处于初级阶段,实验数据较少,有待进一步研究。

3.2 亚甲基蓝(MB)

MB是一种亲水性混合吩噻嗪化合物。已获FDA和欧盟药品管理局的批准可用于临床的染料。通常在高溶度下作为一种显色染料,但是当它稀释到一定溶度时(解除浓度淬灭),在特定的近红外激发光的照射下,可以发出荧光。其吸收峰约670 nm,发射峰约700 nm,刚好落在近红外光波段中,有较深的组织穿透深度。另外MB的一个主要优势是产生副作用的剂量阈值高,最高剂量可达5 mg/kg。因此近几年MB广泛应用于临床的各个领域,例如冠状血管造影术、心肌灌注评估[12]、淋巴结、胆囊[22]、肿瘤[15]等荧光成像。由于其经静脉注射大部分是经肾代谢,最终以尿液的形式排出体外,故近几年诸多学者将MB结合荧光成像技术应用于在体输尿管识别的研究。

Matsui等[23]报道了使用MB结合近红外荧光成像技术进行对猪的开放性手术和腹腔镜手术术中成功进行了输尿管识别实验。MB注射液经静脉注射后,大约10~30 min之后,输尿管成功的被识别,其中当注射剂量为0.5 mg/kg时SBR值显著的较其他注射剂量高。另外Matsui团队还对MB的荧光强度及清除率进行了评估,显示MB是较好的静脉注射染料。同时也进行向动物注射MB注射液的同时注射速尿灵,判断是否注射了速尿灵增加尿液的同时增加输尿管荧光信号。实验结果显示注射速尿灵并不能增加输尿管的荧光信号。

Verbeek等[24]首次使用MB结合近红外荧光成像技术进行人体腹部术中输尿管的识别的试验。共12名患者分别进行低腹部手术,并用Mini-FLARETM进行感兴趣区成像,成像之前分别向患者静脉注射不同剂量的MB溶液(剂量分别为0.25,0.5,1 mg/kg)。注射10 min后所有受试者输尿管均能清楚可视,即便在低剂量组中在感兴趣区中荧光信号持续时间也可高达60 min。同时作者也分析了这3种不同剂量的输尿管的信背比大小(即最佳剂量)和最佳成像时间点,分析结果显示不同成像时间点之间有显著的意义,在注射后45 min时SBR达到最高(4.59±1.68);而不同剂量之间不具有统计学意义,不同剂量与不同时间点没有显著相关性。该实验证实了MB结合近红外荧光成像技术可用于腹部外科手术中输尿管的识别。

Yeung等[25]报道了在人体腹腔镜及开放性结直肠手术中利用荧光成像技术结合MB的使用进行术中输尿管的可视化识别的研究。共8名结直肠癌患者参与此项研究,其中6名进行腹腔镜手术,2名接受开放性手术,每个患者手术过程中给予不同剂量的MB注射液(溶度10 mg/mL,剂量范围0.25~1 mg/kg),注射之后平均14.4 min后即可探测到输尿管中的荧光,持续时间可达75 min。该实验首次证实可向腹腔镜结直肠手术注射低剂量的MB注射液,在结合腹腔镜近红外荧光成像技术实现实时在体输尿管的识别定位。

Al等[26]开展了在人体腹腔镜结直肠手术中使用MB辅助识别输尿管的研究结果的报道。共10名患者分别接受腹腔镜结直肠切除手术,成像前分别通过静脉注射相应剂量的MB注射液(0.125~1.0 mg/kg),利用现有可靠的腹腔镜近红外荧光成像系统对感兴趣区进行激发成像,并与传统腹腔镜可视技术作对比,而且在手术结束后收集其中4名患者尿液进行荧光成像分析。同时作者进行离体分析实验,即分别收集2名健康志愿者的尿液,作为MB的溶剂,将MB配置成不同溶度梯度的溶液,并进行成像分析。在体实验结果显示10名患者中有5名均成功探测到输尿管的轮廓信息,其注射剂量为0.75~1 mg/kg。在低剂量情况下,输尿管在传统的白光模式可以看到的情况下才探测到微弱的荧光信号。离体尿液成像分析中,在体不能探测到荧光的四个患者尿液均能清晰的探测到荧光信号;而健康志愿者尿液中,在一定的稀释范围内,可以探测到强烈的荧光信号,但是稀释过高或者过低均呈现微弱的荧光信号,这与荧光染料浓度猝灭现象相一致。该实验证实了MB结合近红外荧光成像技术在腹腔镜结直肠手术中可视输尿管是可行且安全的。但是目前的技术相对于传统腹腔镜成像技术并没有明显的实践优势。未来的研究需要探索更广的剂量范围,探索更多可供选择的荧光染料及进一步提高成像技术水平。

由此可见,亚甲基蓝是目前临床上用来识别输尿管比较可靠的近红外荧光染料。虽然已证实可用于临床术中输尿管识别。但是仍存在不足,临床试验数据还不够多,有待进一步增加临床试验数据,探索最佳成像剂量及最佳成像时间点。

3.3 吲哚菁绿(ICG)

ICG是一种二磺酸七甲花青染料。非靶向近红外荧光染料。1958年获得FDA批准可用于临床的染料[27]。到目前为止,同荧光素钠、亚甲基蓝唯一3种获FDA批准可用于临床的荧光染料。ICG的吸收峰是779 nm,发射峰806 nm。刚好落在近红外光谱范围内,有较强的组织穿透深度。因此广泛应用于血管造影术[12, 28]、淋巴[29-39]、肿瘤(肝转移癌)[40]、胆管[22]等的识别定位。由于其经静脉注射后,主要是经过肝代谢[41],故很少用于泌尿系统(如输尿管)识别定位。然而仍然有学者使用ICG实现术中输尿管的识别研究。如Tanaka等[42]报道了分别向猪逆行性注射10 μM的ICG,并进行近红外荧光成像,结果显示注射后输尿管立即可视。该方法不仅可以判断输尿管位置信息还可以判断是否有输尿管损伤,若有输尿管损伤,ICG会泄漏到腹腔中,可通过实时成像进行判断。

Portnoy等[43]在鼠模型中证实了脂质体的ICG可用于术中实时在体输尿管荧光成像。众所周知,ICG在体内主要是经过肝代谢,在泌尿系统中是微乎其微,几乎可以忽略不计,作者为了增加其在泌尿系统中的含量,使其可以在术中对泌尿系统成像(尤其是输尿管),作者就将脂质体吸附在ICG上。实验发现附有脂质体的ICG在泌尿系统中的含量增加了,与传统的ICG相比增加了1.9倍。而且在肾脏及输尿管的发射光强度是传统ICG的0.5倍。在动物模型中成功的使用脂质体ICG结合近红外荧光成像技术实现了术中输尿管的在体成像。关于ICG结合近红外荧光成像技术在腹部术中输尿管识别的研究还较少,有待进一步探索研究。

3.4 IRDye800-CW(CW800-CA)

CW800-CA是一种四磺酸盐吲哚七甲川菁染料,净电荷为-4,呈负电性的亲水性荧光染料,其吸收峰为774 nm,发射峰796 nm,在血清中量子产率为12%。在生物体内代谢特点:其经静脉注射后,大部分经肾代谢,最终以尿液的形式排出体外[44]。因此近几年逐渐将其应用于在体输尿管实时识别的动物实验研究中。如2007年Tanaka等[42]在老鼠和猪模型上进行相关的研究报道,分别给予12只雄性SD大鼠(平均体质量350 g)静脉注射不同剂量CW800-CA(1.5、3.0、7.5、15 μg/kg),每个剂量3只,另外给予6只成年Yorkshire母猪(平均体质量35 kg)静脉注射不同剂量的CW800-CA(7.5、15 μg/kg),每种剂量对应3只大鼠。成像结果显示在这几种剂量中在注射后前10 min剂量为7.5 μg/kg的SBR值高达4.0。在猪模型中输尿管SBR值在2或者大于2可持续探测至少30 min。由于CW800-CA目前还不能用到临床,故作者进行了逆行性注射吲哚菁绿探测输尿管及查找因损伤引起的尿漏的实验,即通过向猪输尿管逆行注射10 μM ICG,发现注射后即刻可视输尿管,即便是嵌入周围组织的输尿管同时如若有输尿管损伤也能够实时准确定位损伤的位置。同时对收集的尿液进行光学特性及近红外荧光基团在尿液中的化学形态进行分析。

Schols等[45]报道关于在猪腹腔术中使用CW800-CA结合腹腔荧光成像技术可辅助实时识别输尿管。两荷兰长白母猪(体质量约335 kg)在成像之前10 min分别给予注射剂量不同剂量的CW800-CA(0.25 mg/mL注射1 mL,1.0 mg/mL注射3 mL),并由市场上可靠的腹腔荧光成像系统进行激发成像。结果发现1.0 mg/mL注射3 mL的在注射10 min后即可可视输尿管,另外一个剂量组始终未发现输尿管。当然该研究样本数量少,还有待进一步研究不同剂量梯度的CW800-CA在辅助腹腔镜手术中输尿管的识别。另外在该实验中所选的猪相对比较瘦小,需要进一步验证肥胖的个体在该剂量下是否也能清晰的可是输尿管。为下一步临床试验做好前期的实验研究工作。

Korb等[46]首次证实IRDye800-CW结合商业可靠的腹腔近红外成像系统可在猪模型腹腔术中实时可视输尿管。6只混合品种的成年母猪(体质量24~41 kg之间)分成3组,每组分别给予静脉注射不同剂量的IRDye800CW-CA(30、60、120 μg/kg),并且使由用FDA认证许可的FDA-cleared laparoscopic NIR system(PINPOINT)对感兴趣区激发成像之前,先行注射IRDye800-CW,并每间隔10 min成像1次,一共6次。作者为了测定染料在体内的分布情况,成像结束之后收集组织(肾、输尿管、膀胱、腹壁)进行离体分析。在体成像结果显示3组均成功探测到输尿管,从绝对荧光值与SBR值来看,60 μg/kg的剂量组在研究区间内SBR比较稳定(2.5-3.1),峰值出现在注射后30 minSBR高达3.1。即在这3种不同剂量中,最佳剂量为60 μg/kg。离体的组织成像显示荧光亮度很低。另外作者在特定时间点收集血液与尿液,分析其在各个时间点荧光信号强度的实验。发现血液中的荧光信号强度与尿液中的荧光信号强度成反比关系。相对比与先前的研究,本研究针对非开放性手术,成像时输尿管周围组织较厚亦无需先暴露部分输尿管,并且还分析IRDye800-CW在其他组织中的生物分布情况(除了分析其代谢到尿液外),另外本研究虽然与Schols等[45]的研究相似,但其研究所使用的设备还未获得FDA批准,而且只做两个不同剂量的实验,并且没有对其他组织IRDye800-CA含量进行分析。

研究表明IRDye800CW副作用小,毒性极低,是市场上可靠的近红外荧光染料,目前已经进行临床前期试验。相对比于ICG,IRDye800CW溶解度更高,荧光强度更强 [47],有待进一步开展其在临床腹部外科术中输尿管实时识别的试验研究。

3.5 ZW800-1

ZW800-1是到目前为止少有一种两性离子近红外荧光染料,具有几何平衡的外壳,净电荷为0,呈中性的亲水的多离子性。其吸收峰为772 nm,发射峰788 nm。由于ZW800-1独特的化学物理特性,ZW800-1具有高的消光系数和量子产率,是已获FDA批准的ICG的3倍多。并且在体或者离体组织中具有极低的非特异性结合和吸收。即其经静脉注射后几乎100%经肾脏代谢,最终以尿液的形式排出体外。该近红外荧光染料是由Choi、Hak等[49]自主研发而成,已广泛投入到在体及离体的实验研究[48-51]。重要的是为了单步结合配体以能使病变组织与配体的靶向结合,ZW800-1设计成只带有一个羧酸基。因此可以通过一个稳定的酰胺键与靶向配体共价结合,以更好的用于后续的人类临床试验。由于其诸多的优越性,为了加快向临床的转化,目前ZW800-1已被美国国家癌症研究所的实验疗法项目入选作为新的药物分子。而关于其在辅助术中实时识别输尿管的近红外成像相关研究报道如下所述。

Choi等[49]首次合成两性离子近红外荧光基团(ZW800-1)[49],在该项研究中作者详细描述ZW800-1与ZW800-3a的合成过程,并分析对比其与其他近红外基团(CW800-CA、RS800、ICG、ZW800-3a)的物理化学性质、光学特性及这些近红外荧光基团在体内循环及代谢的特点,包括在体内的分布、清除及在组织中的残留情况。实验通过在指定时间点收集血液、尿液、特定组织,并分析各近红外荧光剂在血液、尿液、组织中的含量。结果表明ZW800-1具有较高的消光系数,高的量子产率,在体内具有极低的特异性结合和组织吸收,经静脉注射之后几乎100%经过肾代谢,最终以尿液的形式排出体外。同时作者也进行在体动物近红外荧光成像,实验发现ZW800-1只在泌尿系统(肾、输尿管、膀胱)可以探测到荧光,即可清楚的获取输尿管的位置信息。而其他近红外荧光剂可在肝、胆囊或肠道等组织探测到荧光。该研究表明ZW800-1是目前在体输尿管识别较好的近红外荧光染料。

为了验证ZW800-1的特性不单单只是在齿类动物独有的,2012年有学者重复进行大型动物实验[50],即分别给予猪静脉注射不同剂量的ZW800-1(1.2-12 μmol)和ICG(1.5~15 μmol),观察分析其各自在猪体内的分布情况,清除率及在体近红外成像效果。实验发现血液中ZW800-1与ICG的半衰期与其在老鼠体内的血液半衰期是相似的。ZW800-1与ICG在血液中半衰期分别是3.7、17.9 min。发现在血液中ZW800-1绝大部分代谢到猪或者老鼠的尿液中,而且代谢到尿液中的ZW800-1结构均未发生改变。同样在猪体内ZW800-1均未看到任何其他组织器官的非特异性摄取。

Verbeek等[52]报道了首次使用靶向近红外荧光剂(cRGD-ZW800-1)成功实现下腹部术中肿瘤的识别与输尿管的可视。作者分别将肿瘤特异性肽cRGD和特异性肽cRAD与ZW800-1共轭结合。在分别给予携带有皮下ht-29型人结直肠肿瘤的小鼠静脉注射1 nmol/L的cRGD-ZW800-1,cRAD-ZW800-1,和ZW800-1,每组3只,并使用the FLARE成像系统进行在体的多个时间点(0.3、0.5、1、2、4、8、24、48 h)的实时成像。观察其在老鼠体内的分布情况及输尿管的可视情况。实验发现注射有cRGD-ZW800-1的老鼠皮下原位结直肠肿瘤可以清晰的识别,而且SBR信背比显著性高于单独注射cRAD-ZW800-1 或ZW800-1。另外,作者还进行分别给予携带有原位转移盲肠肿瘤的小鼠注射0.25 nmol/L和1 nmol/L的cRGD-ZW800-1,将小鼠分成2组,每种剂量3只,实验发现注射有cRGD-ZW800-1的小鼠均能清晰的从周围健康的肠组织中识别出病变的肿瘤组织,并且胃肠道背景荧光极低,注射0.25 nmol/L与1 nmol/L的cRGD-ZW800-1相应的SBR平均值分别为1.75±0.36和2.62±0.17。为了能识别肿瘤的同时能可视输尿管,分别给予3只雄性Wag/Rij rats大鼠注射30 nmol/L的cRGD-ZW800-1,实验发现能清晰的识别肿瘤和可视输尿管(注射30 min之后)。表明ZW800-1与探针结合是很好的靶向近红外荧光染料。

总之,不管是光学特性,物理化学特性等,ZW800-1在泌尿系统成像方面或肿瘤的靶向成像均可作为优良的近红外荧光染料。而且ZW800-1合成符合现行药品生产管理规范标准(cGMP),目前处于临床试验的第一阶段,有待进一步转化应用到临床腹部术中输尿管识别的研究。

4 结论与展望

本文综述了近年来荧光成像技术结合特定的荧光染料在腹部术中在体输尿管识别上的应用和未来潜在的应用前景。研究表明荧光成像技术结合外源荧光染料可以实现了术中无电离辐射、无创、实时可视输尿管的轮廓信息,辅助外科医生在腹部开放性或者腹腔镜手术中进行实时的精准导航。这不仅可以减少手术时间,还可大大减少医源性输尿管的损伤。虽然荧光成像技术在腹部术中在体输尿管识别上取得重要进展,但荧光成像技术局限性依然存在,如荧光染料的种类相对匮乏,到目前为止只有荧光素钠、亚甲基蓝、吲哚菁绿获得FDA和药品管理局的批准可用于临床。荧光素钠作为非近红外荧光染料,组织穿透深度浅,而且是非靶向性荧光染料,背景荧光强。而亚甲基蓝和脂质的吲哚菁绿虽然均是近红外荧光染料,有较深的组织穿透深度,但是其经静脉注射后除了肾代谢,部分经肝代谢,仍然存在较强的背景荧光。为了将近红外荧光成像技术很好用于临床实践,辅助外科医生术中实现在体精准的实时输尿管识别,首先应该加快像ZW800-1这类靶向性荧光染料向临床的转化,或针对不同应用领域而研制特定的荧光染料。再次,应进一步提高近红外荧光成像系统的性能和不断扩充腹部术中输尿管可视化研究的临床数据。

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