基于吲哚菁綠的熒光導航技術指導腫瘤切除的臨床應用進展

姚 藍，王小毅，吳 畏

解放軍總醫院第三醫學中心眼科醫學部，北京 100039

手術切除是治療腫瘤的主要方法之一，在手術過程中，術者主要憑借經驗識別腫瘤組織的范圍，易出現切除不徹底或切除范圍過大的結果，導致腫瘤復發或術后并發癥頻發[1-2]。為實現精準切除，近年來研究人員開發了三維影像重建技術、術中超聲、磁共振和熒光導航等輔助手段，其中術中熒光導航技術由于定位腫瘤組織精準且安全經濟而備受關注。

熒光導航技術的原理是熒光造影劑通過實體腫瘤的高滲透和易阻滯(enhanced permeability and retention effect，EPR)效應而非特異性蓄積在腫瘤中，經激發光照射后發出熒光，從而實時顯示腫瘤[3]。最常用的熒光造影劑吲哚菁綠(indocyanine green，ICG)早在1956年就被食品藥品監督管理局批準臨床應用，也是我國唯一批準可臨床應用的近紅外熒光造影劑，具有極佳的安全性[4]。根據熒光造影劑的發射波波長可以將近紅外熒光分為700 ~ 1 000 nm范圍內的近紅外一區(near-infrared window Ⅰ，NIR-Ⅰ)熒光和1 000 ~ 1 700 nm范圍內的近紅外二區(near-infrared window Ⅱ，NIR-Ⅱ)熒光，目前基于ICG的NIR-Ⅰ和NIR-Ⅱ熒光導航技術均已用于指導腫瘤切除，本文將對該領域的臨床應用進展作一綜述，以期為臨床診斷和治療提供證據。

1 基于ICG的NIR-Ⅰ熒光導航技術在實體腫瘤切除術中的應用

1.1 肝腫瘤 ICG熒光成像在肝病中的應用涉及多方面，主要包括術前評估肝功能、肝血流及膽道系統成像、肝結節成像等[5]。2009年，基于ICG的熒光導航技術首次被應用于輔助肝腫瘤切除術[6]。63例肝細胞肝癌患者于術前1 ~ 7 d行ICG靜脈注射，術中實時成像識別腫瘤邊界。其中8例患者因體內部分腫瘤組織過小，術前影像學方法未檢出，但ICG術中熒光成像均顯示陽性信號，且病理學檢查結果證實為惡性組織。這表明ICG熒光導航技術在輔助肝腫瘤組織識別中具有潛在應用價值。2021年，Otsuka等[7]利用基于ICG的NIR-Ⅰ熒光導航技術輔助34例肝病患者行手術治療，結果表明ICG熒光成像結果能夠檢測出83.3%的良性或惡性腫瘤結節、85.7%的肝細胞肝癌結節；在基于ICG的熒光導航技術的輔助下，可有效提高術者識別腫瘤邊界的準確性。此外，一項多中心回顧性研究對該技術的安全性進行了研究，研究中共納入52例患者，均未觀察到相關不良事件發生[8]。之后Sakoda等[9]首次完全根據ICG的NIR-Ⅰ熒光成像結果確定腫瘤邊界，并對2例肝細胞肝癌患者行肝段切除術，術后均未發生相關不良事件。同時，該研究還發現中、高分化肝細胞肝癌病灶表現為均勻的部分熒光或全熒光，而低分化肝細胞肝癌、結直腸癌肝轉移和肝內轉移肝癌病灶表現為環形熒光[10]，這種顯像特點可能與腫瘤組織的分化程度、病理類型、膽道系統受壓迫程度密切相關[11]。此外，在肝癌解剖性切除中，三維腹腔鏡與ICG熒光導航技術的聯合應用亦取得顯著成效[12-13]，通過穿刺注射或靜脈注射ICG顯示荷瘤肝段，從而實時精確引導解剖性肝切除術。

1.2 顱內腫瘤 熒光導航技術輔助顱內腫瘤切除術已開展數年，最初多用于腦血管成像，近年來逐漸被用于顱內實體腫瘤組織成像。2017年，一項基于5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)的熒光導航技術的多中心隨機對照試驗表明，熒光導航技術被用于術中指導腦膠質瘤切除的陽性預測值為100%，表明該技術可指導腫瘤精準切除，從而改善患者預后[14]。但5-ALA發射光波長為450 ~ 650 nm，穿透組織時易發生散射，因此其穿透能力較差，且成像結果的信背比(tumor-background ratio，TBR)有待提高[15]。Lee等[16]開展了基于ICG的NIR-Ⅰ熒光導航技術指導腦部腫瘤轉移灶切除的臨床試驗，成像結果顯示腫瘤組織的敏感度可達到98%，這表明基于ICG的熒光導航技術與5-ALA熒光成像相似，其在顱內腫瘤組織切除術中的應用具有潛在臨床價值。2018年，該技術在腦膜瘤切除術中應用的相關臨床研究(NCT02280954)表明，術前23 h靜脈注射5 mg/kg ICG后行術中NIR-Ⅰ熒光成像，結果表明其識別腦膜瘤的敏感度為96.4%，特異度為38.9%，陽性預測值為71.1%，陰性預測值為87.5%[17]。相關初步試驗結果表明基于ICG的NIR-Ⅰ熒光成像技術在顱內腫瘤切除術中具有較高有效性，但未來還需要進行相關研究優化該技術。

1.3 肺部腫瘤 基于ICG的NIR-Ⅰ熒光導航技術同樣被應用于肺部腫瘤切除術中，并且已證實其可有效識別非小細胞肺癌肺結節[18]。Okusanya等[19]首次在肺部分切除術中應用該輔助技術，研究共納入了18例擬行肺結節切除術的患者，術前24 h靜脈注射5 mg/kg ICG。術中行NIR-Ⅰ熒光成像檢出了5個術前CT掃描檢查、術中觸診和視診均未發現的結節，并經術后病理結果證實均為惡性。隨后，Mao等[20]為探究該技術識別微小腫瘤組織的能力，納入了36例術前檢查結果均顯示存在肺結節的患者開展臨床試驗，共檢出了9個術前CT未發現的腫瘤組織，其中44.4%為惡性或非典型性組織；該技術檢出腫瘤組織的敏感度和陽性預測值分別可達88.7%和92.6%。2019年，Predina等[21]開展了識別肉瘤肺轉移灶的臨床試驗(NCT02280954)，研究發現術中熒光成像結果不僅可精確定位術前已檢出的肉瘤肺轉移灶，同時還可識別出其他隱匿性病變，這一發現有利于改善患者預后，提高生存質量。這些研究有力推動了基于ICG的NIR-Ⅰ熒光導航技術定位肺部癌性結節的發展，同時也為發現肺部隱匿性病灶提供了潛在方法。

1.4 頭頸部腫瘤 基于ICG的熒光成像技術在頭頸部腫瘤切除術中的應用主要是實時注射以顯示血管、淋巴位置[22]。2019年，Stubbs等[23]首次利用基于ICG的NIR-Ⅰ熒光導航技術確定頭頸部腺癌或鱗癌腫瘤切除范圍，研究過程中共納入了14例需進行手術的患者，在術前24 h靜脈注射5 mg/kg ICG，86%患者顯示出明顯的熒光。同時還有3例患者術中視診未發現黏膜病變，但術中ICG熒光結果呈陽性，且術后病理證實為鱗癌病灶。這項研究有力證明了基于ICG的NIR-Ⅰ熒光導航技術定位頭頸部腫瘤位置的重要意義。為了更好發揮該技術的優勢，2022年，De Ravin等[24]將NIR熒光成像系統與機器人手術系統整合，納入6例頭頸部腫瘤患者進行相關研究，結果提示單純ICG熒光成像結果能夠顯示66.7%的腫瘤組織，而整合機器人操作系統后可提升至83.3%。術者根據視診或觸診的方法識別頭頸部腫瘤組織邊界難度較大，因此腫瘤組織完全切除可能性較小，患者術后易復發，而基于ICG的NIR-Ⅰ熒光導航技術作為一種輔助技術，單獨應用或與其他技術結合應用均能夠有效提高術者判斷腫瘤范圍的準確性[25]。

1.5 腎腫瘤 不同于EPR效應，ICG熒光導航技術輔助切除腎腫瘤的原理主要是腫瘤細胞表面缺乏特異性攝取ICG的膜蛋白，對ICG的攝取能力降低，因此熒光成像過程中腎腫瘤相較正常組織顯示較低的熒光信號[26]。Tobis等[27]于2011年首次將這種熒光導航技術應用于腹腔鏡腎部分切除術中，評估其定位腎腫瘤的能力；術中靜脈注射2.5 mg/mL ICG后發現8例患者腫瘤組織熒光信號降低或缺失，3例患者腫瘤組織與癌旁組織信號相當。隨后，有研究將該技術應用于腎部分切除術中，根據成像結果對患者行腎部分切除術，術后患者切緣陽性率僅為8%[28]。此外，還有研究表明基于ICG的NIR-Ⅰ熒光導航技術引導行腎部分切除術可有效降低術后腎囊腫的發生率，同時還可縮短手術時間、減少腎缺血時間，有效改善患者預后[29]。但由于腎腫瘤組織的ICG熒光成像結果常顯示陰性信號，易被正常組織的陽性信號遮蓋。為提高腎腫瘤熒光成像的有效性，激發后可在腎腫瘤結節部位發射熒光而周圍組織呈陰性信號的分子造影劑已被合成，有望代替ICG[30]。

2 基于ICG的NIR-Ⅱ熒光導航技術在實體腫瘤切除術中的應用

造影劑的發射光譜紅移可顯著減弱生物組織的散射能力、降低生物組織自發熒光的干擾，從而提高成像結果的TBR。雖然ICG發射光波峰主要位于800 ~ 810 nm[31-32]，但其發射光波長范圍位于750 ~ 1 200 nm，尾部的NIR-Ⅱ熒光同樣可以良好顯示腫瘤組織的位置，還可降低背景熒光的影響。除了熒光探針外，熒光成像系統也是決定熒光成像結果質量的重要因素。既往熒光成像設備多以電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)或互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxidesemiconductor，CMOS)為光電探測器[33]，這些成像設備能測到700 ~ 1 000 nm范圍內的NIR-Ⅰ熒光。最近，中科院自動化研究所田捷教授團隊自主研發了基于銦鎵砷光電探測器的熒光成像設備[34]，這是首個可臨床使用的NIR-Ⅱ熒光成像系統，可檢測到1 000 ~ 1 700 nm范圍內的NIR-Ⅱ熒光，為基于ICG的NIR-Ⅱ熒光導航技術的臨床應用奠定了重要基礎。目前，基于ICG的NIR-Ⅱ熒光成像技術已在肝癌、腎癌、腦膠質瘤切除術中開展臨床研究，對比其與基于ICG的NIR-Ⅰ熒光成像的質量，同時研究其鑒別腫瘤組織的特異性和敏感性。

2020年基于ICG的NIR-Ⅱ熒光成像技術首次臨床應用于肝癌手術導航。該研究共納入了23例肝癌患者，對比了NIR-Ⅰ與NIR-Ⅱ熒光成像結果。結果表明，與NIR-Ⅰ熒光成像結果相比，各種病理類型肝癌基于ICG NIR-Ⅱ成像結果的TBR明顯較高，同時根據NIR-Ⅱ成像結果能夠發現更多微小病灶結節[34]。腎癌患者腎部分切除術中主要依據傳統的視診、觸診方法確定切除范圍，難度較大。切除范圍過小容易導致腫瘤復發，切除范圍過大會導致腎單元受損。Cao等[35]于2021年首次在腎部分切除術中應用基于ICG的NIR-Ⅱ熒光導航技術，對9例擬行腎部分切除術的患者，根據NIR-Ⅱ熒光成像結果確定切除范圍，發現該技術可很好地指導術者判斷腫瘤切除邊緣；所有腫瘤均被完全切除，并且術中腫瘤包膜均無破裂；術后隨訪4 ~ 17個月，未見腫瘤復發或轉移。近期，Shi等[36]在高級別腦膠質瘤患者中開展了一項隨機對照研究，評估了NIR-Ⅱ熒光成像技術的臨床應用價值。該研究共納入了15例高級別腦膠質瘤患者，發現根據NIR-Ⅱ熒光成像結果切除腫瘤組織，完全切除率可達到100%；以病理結果為金標準， NIR-Ⅰ、NIR-Ⅱ成像結果以及醫師判斷結果中，NIR-Ⅱ成像結果判斷腫瘤組織的準確性最高，受試者工作曲線下面積可達0.999 7。同時Shen等[37]結合深度卷積神經網絡和ICG原位NIR-Ⅱ熒光成像進行術中實時自動膠質瘤原位病理診斷。這項技術與醫師的經驗性判斷相比，敏感度更高(96.8%vs82.0%)，術者決策改變率高達70%，術中能夠快速預測腫瘤標本的惡性程度分級以及Ki-67水平。這些結果均證實基于ICG的NIR-Ⅱ熒光導航技術在確定腫瘤組織范圍方面具有較高的臨床應用價值。

3 結語和展望

在過去的10多年中，基于ICG的NIR-Ⅰ熒光導航技術廣泛應用，在多種腫瘤切除術中均顯示出較好的臨床應用價值。隨著熒光導航設備及造影劑的不斷優化，我們看到基于ICG的NIR-Ⅱ熒光導航技術以及不同的分子造影劑的臨床應用，均為術者的術中決策提供了越來越精確的指導。但腫瘤組織病理特征的差異導致其對于ICG的代謝不同，因此我們需要開展更多的工作，以期在不同腫瘤組織中推廣這項技術，提高術中診斷準確性，改善患者預后。還可將基于ICG的NIR-Ⅱ成像技術與多種人工智能結果相結合，發展能夠輔助術者的技術。同時這項技術仍存在著以下瓶頸：(1) ICG熒光成像結果穿透組織的能力有限，較難顯示出深部腫瘤[38]。(2) ICG在不同類型腫瘤切除術中的注射方式、最佳濃度、最佳成像時間和成像條件需要進一步優化和標準化。(3) ICG熒光成像的特異性較差，較難區分腫瘤組織和瘤周炎癥組織、良性結節等[6,20]，易導致假陽性結果[39]。為提高該技術的特異性，近些年開始研發設計一些具有靶向腫瘤作用的分子造影劑，目前主要包括抗體-熒光染料偶聯物(如帕尼單抗-IRDye800CW[40]等)和特殊分子(如EC17[41]、OTL38[42])。(4)由于ICG熒光成像結果的質量與熒光成像系統的性能密切相關，未來需要繼續優化可臨床應用的熒光成像系統。

作者貢獻姚藍：文章構思，撰寫初稿；王小毅：審讀和修訂；吳畏：監督指導，資金獲取。

利益沖突所有作者聲明無利益沖突。