光聲成像在腫瘤診斷和治療中的研究進展

羅玥媛，保莎莎，郭效賓，楊軍，廖承德

昆明醫科大學第三附屬醫院/云南省腫瘤醫院放射科，云南昆明650118

癌癥因其不斷增的發病率，成為導致全類死亡的主要原因之一。每年約有1400萬新增腫瘤患者，約800萬人死于癌癥［1］。光聲成像（PAI）作為近代新型醫學成像技術，不僅可以克服光在生物體傳播過程中的強散射干擾，還結合了超聲波對組織較強的穿透能力，從而獲得高分辨率圖像。同時，此種成像技術還能利用組織中生色團對光的固有吸收，實現分子及功能成像［2］，因此在生物醫學領域受到了極大的關注。近年來，光聲成像在腫瘤的臨床應用領域和基礎研究方面（包括在乳腺癌、前列腺癌、卵巢癌以及其他組織的成像）中都表現出不可忽視的潛質，本文對光聲成像的原理及與癌癥成像相關的潛在臨床應用作一綜述。

1 光聲成像原理

當生物體表面受到一束合適的短波脈沖壓力激光（約10 ns）照射時，入射光子被組織吸收產生熱能，引起組織發生彈性膨脹后產生超聲波［3］。由探頭接收后超聲波進行換能形成光聲信號，隨之計算機將這些信號重建為可視化的二維或三維圖像［4-6］。由于正常結構和病變組織的光聲信號有較大差異，所以利用重建后的圖像，我們可以分辨出兩者。此外，由于激光脈沖能激發體內的特殊成分（如黑色素、血紅蛋白等）［7］，加之能定量測量上述成分光聲參數的光聲光譜技術，兩種技術結合后可更精準地反映組織生理/病理的相關信息，達到對組織內特定分子及功能狀況進行成像的目的［8］。

在腫瘤的發生發展過程中，腫瘤相關的脈管系統和正常血管相比，往往具有不同的結構特征（如腫瘤血管異常激增，通透性增高），可以把腫瘤血管當作癌癥的標志點之一［9］。由于血管生成對于腫瘤的進展十分重要，因此通過光聲成像檢測血紅蛋白的分布情況以及與腫瘤血管的形態特征，可以提供腫瘤內部構造及代謝的情況［10］，這項技術為腫瘤的診斷提供了另一種成像方式，在腫瘤定位定性以及監測后續治療反應等方面顯得尤為重要。

2 光聲成像在腫瘤中的應用

2.1 乳腺癌

目前，光聲成像被逐漸運用于乳腺癌診斷。在乳腺癌中，低氧的發生取決于腫瘤新血管系統的生長，其導致腫瘤微環境的適應性反應，從而引起治療效果不佳或腫瘤進展［11-12］，與腫瘤圖像實時同步的血紅蛋白含量及其氧合狀態定性影像學評估有助于更好地區分良惡性腫瘤和減少活檢［13-15］和監測治療效果［16］。Li等［17］研發功能性光聲層析成像系統（FPAT），它能獲取乳腺血紅蛋白濃度和血氧飽和度的定量圖像，顯示腫瘤血供與正常乳腺組織的差異，有助于乳腺腫瘤良惡性的區分，并且能提供亞毫米級分辨率。一項回顧性研究分析了67個乳腺惡性腫塊，比較其病理、超聲檢查結果，同時利用光聲信息重建氧合/脫氧血紅蛋白圖，提供了腫塊的解剖和代謝的融合信息［18］，發現該成像方法在鑒別三陰性乳腺癌和HER-2過表達的乳腺癌亞型中有統計學意義。另外，其團隊發現當腫瘤周圍和邊緣血管較多，外部光聲較高時，多傾向為luminal A 或B 型；而三陰性和HER-2過表達的乳腺癌腫瘤區域內部血管豐富，富含脫氧血紅蛋白，從而導致內部光聲信號較高［19］。這些研究結果為無創性地區分乳腺癌的分子亞型提供了新的線索。Suzuki等［20］的研究顯示，PAI很好地展示了淋巴管形態，以及它們與周圍組織的結構，故利用PAI引導乳腺癌前哨淋巴結活檢，可以減低手術帶來的大面積創傷。有學者對乳腺癌小鼠荷瘤模型進行抗血管生成治療后使用光聲成像觀察治療后腫瘤血管的變化情況，發現可以根據PAI的光聲參數適當調整乳腺癌中抗血管生成藥物的劑量，以實現血管正常化［21］。這表示PAI診斷乳腺癌時能為臨床提供更多的信息，從而可以輔助后續的治療。

與此同時，基于腫瘤新生血管生成和代謝的原理［22］，利用該技術不僅能監測乳房的血管走行，還能觀察乳房和腫瘤中脂肪的分布情況，可以向臨床醫生提供補充診斷治療的信息。有研究使用光譜范圍從700～970 nm的手持式光聲探頭觀察并計算血紅蛋白、總血容量、脂質和水的分布［23］。他們發現在血紅蛋白和總血容量圖像中，腫瘤周圍血管增多而瘤內血管減少，同時還發現腫瘤侵襲乳房原有的脂肪層和水層，導致腫瘤區域TBV分布不均勻，邊緣比鄰近的非腫瘤區域的數值大30倍以上。以上研究成果均顯示出光聲成像技術在乳腺癌診斷方面具備較大優勢，未來應用前景將更為廣泛。

2.2 前列腺癌

目前臨床對于前列腺癌的分期和分型還存在一定困難，由此可導致早期前列腺癌的誤診及漏診。光聲成像利用腫瘤內豐富的血管信息，通過探測腫瘤微環境的特征，對早期前列腺癌具有一定的輔助診斷作用。研究對不同類型的前列腺組織進行光聲成像，并與病理結果對比，發現前列腺病變與正常組織的光聲信號不同，在惡性前列腺癌組織中血紅蛋白的平均含量明顯增加，而脂肪含量顯著下降，據此可鑒別前列腺正常、良、惡性組織［24］。Wang等［25］基于光聲血管成像不需使用外部對比劑就能直接獲得高分辨率的血管結構圖像，通過對犬的前列腺進行活體和離體光聲成像，將結果與超聲比對后，發現光聲成像能更準確顯示犬前列腺供血豐富的區域。有學者使用手持式光聲分子探針技術對前列腺癌荷瘤小鼠進行靶向成像，發現光聲信號在腫瘤組織的強度明顯高于正常前列腺，此結果表明探針聯合光聲成像技術可能成為未來前列腺癌的診斷方法之一［26］。由于光聲成像在血管成像方面具有獨特優勢，表明它可能在評估前列腺癌術中、預后中發揮重要作用。有研究利用經直腸光聲成像系統，清楚地展示出前列腺癌根治術中血管束和神經束的形態，能夠在術中區分微血管復合體和鄰近神經與周圍組織，指導對殘余血管/神經束進行相應的功能保護，從而改善手術結果以提高患者術后生活質量［27］。

2.3 卵巢癌

卵巢癌患者常常因初早期的癥狀不明顯、缺乏有效的檢查手段，錯過最佳治療時間而導致生存期降低［28］，而PAI在腫瘤的早期診斷中扮演著重要的角色。Bhatra等［29］利用光譜模式在離體卵巢腫瘤組織上區分腫瘤與非腫瘤，發現光聲成像有助于鑒別卵巢腫瘤的不同類型。有研究利用自主研發的光聲成像系統評估卵巢腫瘤性質：腫塊切除手術前，使用該系統對患者的卵巢進行無創成像，通過提取5個重要特征和使用邏輯分類器，對所取得的14張卵巢惡性組織和17張良性腫塊的聲光圖像可準確分類［30］。也有研究應用光聲成像技術對26個卵巢腫塊進行活體成像，用光聲參數如相對總血紅蛋白濃度（rHbT）和平均氧飽和度評估腫瘤的良惡性，結果顯示惡性結節的平均rHbT比良性/正常卵巢高1.9倍；而且惡性組織中rHbT分布廣泛，但在良性/正常卵巢中分布零散［31］。光聲圖像展示了惡性腫瘤組織的血管豐富、血氧飽和度降低，表明光聲成像顯示腫瘤血管的能力優良，提示可利用特定光聲參數描述腫瘤的良惡性。有學者使用光聲結合拉曼光譜法，同時使用金納米棒作為特定的靶向分子顯像劑對卵巢腫瘤進行成像，此方法可以清晰地顯示腫瘤與正常組織的邊界［32］。PAI可以幫助劃定腫瘤邊界和腫瘤浸潤，以明確切除邊界和切除范圍。這些結果初步證明光聲成像技術在卵巢癌診斷中具有極大的臨床應用潛力。同時，光聲參數與血管功能相關的生物標志物也被用于預測和監測治療反應。有研究利用PAI檢測抗血管生成治療期間卵巢腫瘤的反應，分別在治療前后對原位異種移植小鼠模型進行PAI，并和未治療的對照組進行比較［33］。發現在抗血管生成治療后，腫瘤殘余血管恢復正常化，在卵巢小鼠腫瘤模型中總血紅蛋白減少和氧合血紅蛋白增加，在體外模型中表現為周細胞血管覆蓋的增加和血管密度的降低，與病理結果相符，這證實了光聲成像在監測治療反應方面的潛力，從而可以輔助選擇患者的治療策略。

2.4 甲狀腺癌

由于位置較淺表且光聲透過性較好，可借助光聲成像對甲狀腺病變進行研究。有研究利用手持式光聲/超聲雙模態成像系統對正常甲狀腺和甲狀腺癌進行成像，并與彩色多普勒超聲進行比較，發現光聲成像能顯示超聲不敏感的血管組織，可以為常規超聲成像補充重要信息，能夠為甲狀腺疾病的診斷和鑒別提供支持［34］。Dogra等［35］在手術切除后的甲狀腺組織上進行多光譜光聲成像，并重建了脫氧血紅蛋白、氧合血紅蛋白等光吸收圖像，隨后將病理學切片中的不同區域（惡性組織、良性結節和正常甲狀腺組織）和光聲圖像相匹配，發現光聲成像在分辨惡性和非惡性甲狀腺組織的陽性和陰性預測值分別為81.8%和93.9%。該研究結果表明，光聲成像可以用于區分惡、良性結節與正常甲狀腺組織。

2.5 肝癌

常規影像方法對于肝癌的識別無法達到分子和微血管的水平，但利用光聲成像圖像分辨率高、對比度高同時結合血管功能成像的技術優勢，有助于提高肝癌診斷的效能，為精確定位病灶邊界和施行治療提供了依據［36］。有研究根據肝癌高度表達表皮生長因子受體的特性，使用特異靶向表皮生長因子受體多肽，經光聲成像技術提高了肝癌及轉移瘤的檢出率［37］。研究結合吲哚菁綠（ICG）對切除的肝標本進行光聲成像，利用光聲層析成像技術可以觀察到ICG在癌組織中的積累，但在距肝臟表面4 mm的深度，含ICG的組織的光聲信號降低了40%左右，證明光聲成像實現了對ICG空間分布的可視化，病理圖像上熒光標記與光聲圖像的結果相符合［38］。但光聲信號的減弱，提示需進一步改善技術以檢出深部病變組織發出的光聲信號。有學者利用無創性光聲成像技術評價索拉非尼治療肝癌的療效，監測治療前后荷瘤小鼠腫瘤體積和血氧飽和度，發現經過藥物治療后的小鼠，肝細胞癌和殘余正常肝臟組織的血氧飽和度都呈下降趨勢，提示可將光聲參數作為檢測小鼠肝癌治療效果的有效標志［39］。與常規光聲系統相比，雙模態成像顯示了更豐富的血管結構，提供了更多補充信息，有助于提高診斷準確度，關天培等［40］構建了光聲-熒光雙模分子探針模型，這種特殊分子探針在成像過程中明顯增強了光聲信號和成像效果，提示可通過研發多模態光聲成像模式來提高診斷癌癥的效能。

2.6 皮膚癌

皮膚癌主要分為3種：基底細胞癌、鱗狀細胞癌和黑色素瘤，其中黑色素瘤是侵襲性最強的皮膚癌，死亡率超過了75%。黑色素瘤的早期診斷并對其進行手術切除是降低死亡率的關鍵。PAI與傳統的診斷方法相比，其無創性減少了傷害皮膚的機會，還可實時顯示腫瘤深度，進而實現準確診斷和制定完善的手術計劃，因為黑色素瘤厚度是決定治療方式和判斷預后最重要的臨床指標。有研究對黑色素瘤患者于術前進行PAI掃描，將顯示的病灶厚度與術后切除組織的厚度比較，發現PAI可以較準確測量病灶的厚度，并且能從結構上區分原位黑色素瘤和侵襲性黑色素瘤［41］；有研究使用手持式探頭對黑色素瘤患者進行PAI成像，發現腫瘤成像深度與切除后的組織測量結果吻合，兩者的平均絕對誤差為0.18 mm，再次證實了PAI能無創測量黑色素瘤的深度，臨床常規使用該技術診斷黑色素瘤將是可行的［42］。鱗狀細胞癌是具有轉移潛能的皮膚癌，有研究通過PAI成像來確定鱗狀細胞癌的光譜特征，結果表明鱗狀細胞癌在765～960 nm波長范圍內具有獨特的光譜特征，根據其特征可視化腫瘤的結構和邊界，早期對其進行手術切除以避免轉移風險［43］。提示若術前使用光聲顯像來指導手術，能實現更精確的腫瘤切除。

2.7 胃腸道疾病

光聲成像與常規方法融合在胃腸道成像方面具有良好的臨床應用價值。在一項超聲聯合PAI的臨床研究中［44］，發現結直腸標本中惡性腫瘤和正常組織在rHbT、光譜截距、平均譜斜率上有顯著的差異。與息肉表現不同，惡性腫瘤周圍的光聲信號明顯增加，尤其是在黏膜表面，而腫瘤內部光聲信號變低，研究結果表明，經治療后的病變可能恢復正常的分層［45］。有研究應用PAI確定結腸腺癌腫瘤的位置后，在光聲圖像的引導下，用高強度聚焦超聲對腫瘤進行特異性消融［46］。以上均提示了PAI能為結直腸腫瘤的定位及定性提供新的輔助信息。其次，研究表明，多光譜光聲層析成像有助于炎癥性腸病的診斷和監測［47］。炎癥性腸病與惡性腫瘤發生密切相關；早期診斷和監測可降低與惡性腫瘤相關的風險和并發癥。另外，PAI在胰腺癌的診斷中也顯示一定的優勢。有研究使用特異性熒光探針結合PAI的方法，發現這種技術能成功識別出腫瘤，且胰腺腫瘤部位的平均光聲信號比周圍組織高3.7倍［48］。這些成果驗證了光聲成像技術在胃腸道腫瘤的診斷和監測預后中有著重要幫助。

2.8 泌尿系統腫瘤

膀胱癌的侵襲深度需要更加準確的方法來加以評估，光學技術的出現能提供更豐富的腫瘤信息，以協助臨床醫生做出決策。其在犬膀胱癌檢測中獲得肯定，未來有望彌補常規膀胱鏡檢查評估膀胱腫瘤侵襲性方面的不足。有學者通過犬和人膀胱的標本，研究PAI繪制犬膀胱組織中微脈管系統中的性能，并進一步探討其區分人體良惡性膀胱組織的可行性［49］。觀察到PAI能顯示犬膀胱組織中多級血管結構，并深入研究發現在人體惡性膀胱癌的光聲圖像中，可以看到獨特的微血管特征，包括增強的微血管密度和微血管大小和形狀的變化等，由此可區分惡性腫瘤與健康組織。Nguyen等［50］開發了一種雙系統，用于膀胱癌的聯合成像和局部治療。HIFU結合激光增強治療效果，應用PAI對消融治療后的病變組織進行定性驗證。他們對豬膀胱組織進行了體外測試，觀察到治療區域PA圖像亮度顯著增加（約9倍），這表明在體外條件下用光聲成像評估低熱劑量治療膀胱腫癌的可行性。

3 展望

光聲成像是一種光聲結合、無輻射的理想成像技術，它可根據不同組織的光吸收差異進行光譜分析，實現無創性的功能成像。這種新型技術為醫生提供了多維度的生物學信息，在腫瘤的良惡性鑒別以及病理分型方面有一定潛力。盡管光聲成像技術在臨床應用中取得重要的研究成果，但目前單一化的光聲成像方式難以滿足臨床的實際需要，研發多模態及多元化的光聲成像技術將成為未來新興的發展趨勢，如光聲/熒光共聚焦成像、光聲/近紅外線成像等多種成像方式，能夠為特定的應用研究提供新的平臺。相信隨著技術的發展以及設備的不斷完善，光聲成像技術將在腫瘤的應用中實現更大的突破，為癌癥的診斷、療效評估等方面提供更有價值的信息。