全球首个多模态生物显微镜系统：更精准地治疗癌症！

2018 年 1 月 8 日 IntelligentThings John

导读

近期，韩国大邱庆北科学技术院（DGIST）的科研团队开发出世界上首个多模态生物显微镜系统。该多模态生物显微镜系统可以分析手术过程中切除的肿瘤，并有助于癌症精准切除术以及肿瘤治疗技术的研究。

背景

今天，让我们从癌症说起。

什么是癌症？根据世界卫生组织提供的信息，癌症是对可影响到人体任何部位的一大组疾病的通用术语。使用的其他术语还包括恶性肿瘤和赘生物。癌症的定义特征之一是异常细胞迅速产生，其生长超过正常界限，并因此而能够侵袭体内的临近部位并向其他器官蔓延。这一过程被称为转移。转移是癌症致死的主要原因。

根据世卫组织去年公布的数据，2012年约有1400多万新发癌症病例，2015年有880万人死于癌症，占全球每年死亡总人数近六分之一，70%的癌症死亡发生在中低收入国家。大约三分之一的癌症死亡源自五种主要行为和饮食危险因素：高体重指数、水果和蔬菜摄入量低、缺乏运动、使用烟草以及饮酒。而在我国，癌症已成为疾病死因之首，发病率和死亡率仍在不断攀升，对于公众健康构成严重威胁。

然而，近些年来，全世界对于癌症的创新技术研究力度也在不断加大，各种创新技术成果为癌症的早期诊断和有效治疗带来了新的曙光。笔者曾经也介绍过一些相关的创新研究案例。

例如：以色列的新科技，通过人体呼出的气体检测癌症；美国伊利诺大学芝加哥分校的科研人员让脑细胞和石墨烯发生相互作用，区分出活跃的癌细胞和普通细胞，从而有助于未来开发简单无创的癌症早期诊断工具；美国和加拿大的科研人员团队开发出一种新型计算软件，它能判断人类DNA样本是否含有与癌症以及其他不良健康状况相关的表观遗传学附加物；美国华盛顿州立大学的研究人员开发了一种低成本、便携式的智能手机光谱仪，可以即时分析几种样本，捕捉肿瘤标志物，提供实验室级别的检测结果；日本名古屋大学的研究人员开发的新型医疗装置，可以有效地捕捉“胞外膜泡”（EV），利用它们筛查癌症；韩国大邱庆北科学技术院的科研团队利用蜘蛛网微磁图案，开发出集成生物传感器的新型芯片实验室平台，它比现有生物传感器快20倍，可应用于癌症等疾病的早期诊断和复发诊断；巴西国家纳米技术实验室的科学家们设计出的生物传感器，能够快速检测出各种癌症以及神经疾病的相关分子。

创新

今天要再介绍一项与癌症治疗相关的最新科研成果。近期，韩国大邱庆北科学技术院（DGIST）信息与通信工程系的科研团队与纳米和能源研究系 Eunjoo Kim 的科研团队协力合作，开发出世界上首个多模态生物显微镜系统。该多模态生物显微镜系统可以分析手术过程中切除的肿瘤，并有助于癌症精准切除术和肿瘤治疗技术的研究。

（图片来源：DGIST）

2017年12月13日，这项研究的论文在线发表于国际著名期刊《自然》的姐妹杂志《科学报告》（Scientific Reports）上。韩国国家研究基金赞助了作为“科学和工程基础研究项目”的这项研究。

技术

简单地说，这是一种利用结肠直肠癌的机械、化学和结构特性，分析肿瘤特征的成像系统。下图是该多模态生物显微镜系统的特征示意图。

（图片来源：DGIST）

手术期间切除的肿瘤的病理组织学检查是癌症外科手术过程中一项重要的程序。特别是，如果非常小的肿瘤遗留在手术部位，它就会成为癌症复发和转移的主要原因。因此，精准地分析切除的肿瘤，对于搞清楚恶性肿瘤是否遗留在手术部位来说，非常有必要。

为了分析现有的肿瘤，很有必要将切除的肿瘤发送给病理学家，并通过显微镜检查样本，从而判断恶性肿瘤组织是否得到了恰当的切除，以及手术期间是否由必要额外切除一些组织。然而，这一过程非常耗时，而且结果也会根据内外部因素而不同。

为了克服这些缺点，就需要使用光学显微镜或者超声波。然而，这些设备却无法用于严格的检查，因为它们无法分析每个组织的深部，或者分辨率较低。

Hwang 教授的科研团队开发出一种基于高频超声波和聚光的生物显微镜，克服了之前开发的肿瘤分析成像系统的缺点。下图是该多模态生物显微镜系统的结构图。

（图片来源：参考资料【2】）

多模态生物显微镜系统可以展开病理分析，并同时通过聚光的多光谱成像、高频B超以及高频超声波辐射成像技术，检测癌症手术期间切除的组织表面以及组织深处的肿瘤。

因为光谱学成像技术定量分析了由组织表面发出的光谱指标，所以比起荧光显微镜，可以对于组织和癌症区域进行更加精准地分析。高频B超和高频超声辐射力成像技术，与现有的超声成像技术相比，对于组织内部阻抗和弹性进行成像的分辨率更高，因此它们能够高度精准地检测深部组织以及肿瘤区域。

研究团队通过实验证明：对于结肠癌患者的肿瘤组织来说，多模态生物显微镜系统可以从肿瘤的表面到深处，高分辨地分析肿瘤组织的机械、化学和结构特征。

价值

Hwang 教授表示：“我们基于高频超声和光学光谱，开发出世界上首个多模态的生物显微镜系统。它弥补了现有成像分析系统的缺陷。我们将进行进一步的研究，将这个系统开发为内窥镜系统，应用于手术前实际的癌症临床诊断。

这项研究的成果显示：多模态生物显微系统有望定性地研究位于体外的切除的肿瘤的特征。同时，这种多模态生物显微镜系统也有望通过提升肿瘤切除手术的准确率以及缩短手术时间，提升癌症手术的效率和成功率。

关键字

癌症、超声波、光谱学

参考资料

【1】http://en.dgist.ac.kr/site/dgist_eng/menu/508.do?siteId=dgist_eng&snapshotId=3&pageId=429&cmd=read&contentNo=36423

【2】Kim Jihun, Seo Anna, Kim Jun-young, et al., "A Multimodal Biomicroscopic System based on Highfrequency Acoustic Radiation Force Impulse and Multispectral Imaging Techniques for Tumor Characterization Ex vivo", Scientific Reports, December 2017
https://www.nature.com/articles/s41598-017-17367-1