发展光纤拉曼探针的体内诊断上消化道癌症

L.M.杏仁,^一个j .钦斯^一个h·巴尔^a、bj .天^cn .石头^一个和c·肯德尔^一个

^一个Biophotonics研究单位,格洛斯特郡皇家医院,大西部,格洛斯特,英国格洛斯特郡GL1 3神经网络
^bOesophagogastric部手术,格洛斯特郡皇家医院,大西部,格洛斯特,英国格洛斯特郡GL1 3神经网络。电子邮件:(电子邮件保护)
^c界面分析中心,布里斯托尔大学第121麦克希尔,英国布里斯托尔BS2 8 b

介绍

胃癌和食道癌全球公共卫生构成重大挑战。为了改善这些癌症患者的治疗结果,癌前期病变的早期发现和治疗是至关重要的。然而,目前50%的食管和胃发育不良(前)是宏观上看不见所以不能检测到临床医生在内窥镜检查。结果,上消化道癌症(GI)通常是发现在后期的时候他们是无法治愈的。需要采取紧急行动制定一项临床试验,可以允许实时在活的有机体内诊断为癌前期发育不良不再需要活检和启用即时内镜治疗是针对癌前期病变导致改善预后。

光纤拉曼光谱显示巨大的潜力在上消化道半岛综合体育官方APP下载德甲作为诊断工具,以及其他组织的网站。拉曼光谱产生半岛综合体育官方APP下载德甲一个独特的组织光谱促进生化成分的分析在组织样本,可以作为兼职组织学诊断。的技术包括励磁用单色激光靶组织。激发激光的大多数由组织弹性散射(波长不变),但一个小比例,大约在10⁶光子,inelastically分散(拉曼散射),随着波长的改变,拉曼的转变。

技术发展有突出的可行性在光纤拉曼光谱作为一种内镜的诊断工具半岛综合体育官方APP下载德甲在活的有机体内评估病人。然而,对于临床适用的拉曼光谱半岛综合体育官方APP下载德甲在活的有机体内它必须快速、成本效益和高度准确的癌前期发育不良。此外,必须有一种机制使探测的中空脏器(食管)15 - 40厘米,40 - 60厘米(胃)远离口腔。这提出了挑战的拉曼光谱耦合光纤探针同时维持低本底信号,有效传递和收集光学,同时坚持大小规格内半岛综合体育官方APP下载德甲窥镜使用所必需的。

在本文中,我们审查的状态的艺术发展光纤拉曼探针在活的有机体内组织诊断上消化道。我们识别探针开发取得重大突破,首先反思的结果在活的有机体内试验,讨论关键的挑战,必须克服在拉曼光谱可以被认为是广泛的临床实施。半岛综合体育官方APP下载德甲

拉曼光谱的原因吗?半岛综合体育官方APP下载德甲

拉曼光谱是一半岛综合体育官方APP下载德甲种非侵入式的、可再生的和具有成本效益的技术,客观措施高度特定的生化信息在一个临床可行的时间(秒)。还可以使用拉半岛综合体育官方APP下载德甲曼光谱结合光纤探针使上消化道内的评估和其他中空器官。此外,这项技术不需要组织准备使用前(固定或染色),使其完美的作为在活的有机体内诊断工具。

光纤探针的发展

现代光纤拉曼光谱系统包含一个单色仪,一个高质量的电荷耦半岛综合体育官方APP下载德甲合装置(CCD)探测器,一系列的光学过滤器,一台电脑和一个专门的光纤探针(图1)。近红外(NIR) (785 - 830 nm)利用来帮助减少组织荧光激发波长和光谱干扰从光学组件。

拉曼信号本质上是弱,和生化变化之间的正常和无形的发育异常的(癌前病变)细胞是微妙的。在分析组织,激发激光功率必须保持低,以防止热损伤的机会,这意味着信号强度是有限的。因此,拉曼探针必须有足够的收集效率,以确保足够的信噪比(信噪比)。除了他们的设计必须符合的尺寸规格,以确保医疗内窥镜兼容。

光纤拉曼探针(不是内窥镜兼容)已经成熟,而且有些是商用。大多数使用单独的照明和收集纤维减少不必要的内在纤维信号,通常包括多个直径100 - 200µm纤维结合内置光学过滤器。

1998年,Mahadevan-Jansenet al。发表在活的有机体内结果使用光纤拉曼探针分析宫颈组织发育异常的变化。¹Silica-silica纤维被证明导致信号干扰比蓝宝石和液体指导纤维尽管他们倾向于产生显著的背景信号在低波数(低于900厘米¹)。探测器由一个激励纤维和50收集纤维和总直径12毫米。激发纤维是定位的边缘探测器,和激光输出(789海里)被一枚镜子的角度反映生产直径900µm激发组织表面。带通滤波器的远端提示激发纤维阻塞荧光和拉曼散射产生的纤维,但激发光传播。尽管证明下有可能测量拉曼光谱在活的有机体内使用光纤探针的尺寸和光谱采集所花费的时间(90年代)意味着这个设计用于胃肠道是不切实际的。

下一个重要的挑战是开发一个有效的微型光纤探针,采用最先进的探测技术,但与医学内窥镜兼容使用。内窥镜是90厘米长,2.8毫米直径仪器通道通过拉曼探针可以交付。这是一个相当大的技术挑战;包一个探针与所有它的组成部分(过滤器、准直透镜、照明和收集渠道,和外部套管)的耐用设备直径小于2.8毫米!

1999年垫片et al。报道了利用内窥镜兼容,光纤拉曼探针组成的一个中心交付纤维(直径400µm)包围七收集纤维每300µm直径(Visionex, Inc .,桑尼维尔,美国探测器)。²过滤器被放置在纤维大约2.5厘米从探针尖端和收集纤维是锥形的一部分,主要是收集信号从一个区域交付前的纤维和收集在指定的深度,取决于倾斜角度。这个设计提供了一种控制采样体积同时优化收集效率。

2000年,垫片等人报道第一体内胃肠组织的拉曼测量使用上述Visionex调查(表1)。³在这个可行性研究调查是通过内窥镜进入食管,胃和结肠。二十个病人成功地接受了内窥镜手术后常规镇静和没有并发症的报道。探测器定位的粘膜接触面积5 s在此期间阅读。然后对网站作活检允许的拉曼光谱与组织病理学比较网站。细微的差别是在光谱报告从正常和病变区域,但数据获得被不足以区分病理组。同时证明可行性、垫片等人得出结论,需要更多的工作来提高信噪比,减少采集时间,提高数据解释之前就可以产生可靠的结果。本研究表明内窥镜拉曼光谱可以表现在人类患者安全,但并不足以使比较结果生成的使用基于实验室的半岛综合体育官方APP下载德甲拉曼光谱仪。

表1。在活的有机体内拉曼光谱在上半岛综合体育官方APP下载德甲消化道(试验在人类,除非声明)。所有探针结合微型内置光学纤维。⁺NBI-narrow乐队成像,^*AFI-autofluorescence成像。

早期的光纤探针收集重要的光谱µm组织的贡献远不止500。最近更大的重点一直放在目标照明的胃肠道上皮衬里。在上皮细胞癌前期发育不良发展,根据定义,还没有入侵更深层次的结构。为最佳的诊断准确性,探针必须收集信号从上皮细胞层和减少光谱散射发生在深层组织的贡献。

2005年,威尔逊和同事发表的体内试验的结果上消化道的人类。他们用一个探测器组成的中央交付纤维包围六个直径300µm倾斜纤维集合实现估计抽样500µm的深度。⁴与一个二极管激光器(排放在785 nm)和现代CCD探测器之间他们报道87%的精度描述正常食管组织和发育不良。

黄和同事最近描述一个球透镜的使用远端提示的一种新的拉曼探针将激发光在上皮细胞并帮助校准散射光收集纤维。⁵天等人采用了分级指数(笑)镜头在小说同样的效果调查,特别设计了光谱测量食管。⁶这个探测器由一个单一的照明与准直透镜和一个收集纤维,以确保最佳的光学耦合,和内置过滤器排除内在光缆内产生的信号。单纤维,小光圈,显示了高度的选择性检测光谱信号引起的上皮细胞。这个探针用于审问食管活检组织体外和证明,巴雷特食管,发育不良和癌症可成功分离与71 - 88%敏感性和特异性77 - 99%。⁶

2010年,随着许多初步的体外和体内研究老鼠,黄和同事发表了一系列的体内试验结果内窥镜拉曼光谱在人类胃肿瘤的检测。半岛综合体育官方APP下载德甲他们使用了1.8毫米直径32集纤维组成的拉曼探针周围的一个中央交付的纤维。光学过滤器的探针有两个阶段,在其近端和远端,并使用785 nm激发。每个光谱在0.5秒激光辐照度为1.5厘米²。2010年12月他们报道一个诊断的敏感性为82.1%,特异性为95.3%描述从良性恶性胃溃疡组织。⁷2011年,相同的拉曼探针系统被用于食管示威的敏感性为97.0%,特异性为95.2%检测食道癌。⁸

结论

现在11年以来第一次在体内试验的胃肠道和拉曼光谱探针设计已取得相当大的进展,近红外二极管激光器可用性、光谱仪和数据处理能力。半岛综合体育官方APP下载德甲最近的研究证明它有能力收集临床适用的结果在实际的时间表。然而,仍进一步发展是至关重要的减少背景光谱信号,优化收集效率和确保信号来源于上皮表面,这样最早的癌前期变化可以发现虽然仍处于潜在的固化阶段。

引用

1. a . Mahadevan-Jansen中频米切尔,n . Ramanujam Utzinger和r . Richards-Kortum“发展的光纤探针测量宫颈组织的近红外拉曼光谱在活的有机体内”,Photochem。Photobiol。68 (3),427 - 31 (1998)。https://doi.org/10.半岛app应用下载1111/j.1751-1097.1998.tb09703.x
2. 公元前M.G.垫片,威尔逊,马普尔e·m·瓦希,“光纤探针的研究在活的有机体内医疗拉曼光谱”,半岛综合体育官方APP下载德甲达成。Spectrosc。53岁,619 - 627 (1999)。https://doi.org/10.1366/0003702991947225
3. M.G.垫片,L.M.歌,N.E. Marcon公元前和威尔逊,”在活的有机体内近红外拉曼光谱:示范的可行性在临床胃肠内半岛综合体育官方APP下载德甲窥镜检查”,Photochem。Photobiol。72 (1),146 - 150 (2000)。
4. L.M. Wong Kee歌,a . Molckovsky株式会社,剩下Burgart, b . Dolenko R.J. Somorjai公元前和威尔逊,“诊断潜在的拉曼光谱巴雷特食管”,半岛综合体育官方APP下载德甲Proc。学报5692年,140 - 146 (2005)。https://doi.org/10.半岛app应用下载1117/12.584986
5. j . Mo郑w和z黄”,光纤拉曼探针夫妇球透镜depth-selected上皮组织的拉曼测量”,生物医学。选择快递。1 (1)相当于17 - 30 (2010)。https://doi.org/10.1364/BOE.1.000017
6. J.C.天,r·班尼特史密斯b, c·肯德尔通用拉米登,j·哈钦斯出生,Yu和n的石头,“微型内窥镜使用共焦拉曼探针”,理论物理。地中海,杂志。54 (23),7077 - 7087 (2009)。https://doi.org/10.1088/0031-9155/54/23/003
7. 硕士伯格浩特,郑w . k . Lin K.Y. Ho·m·格兰kg。杨紫琼,J.B.所以黄和z,”拉曼内窥镜检查在活的有机体内区分良性和恶性溃疡的胃”,分析师135 (12),3162 - 3168 (2010)。https://doi.org/10.1039/c0an00336k
8. 硕士伯格浩特,郑w . k . Lin K.Y. Ho·m·格兰kg。杨紫琼,J.B.所以,z .黄。”在活的有机体内使用导航下拉曼内镜诊断食道癌和生物分子模型”,抛光工艺。实用癌症杂志T。10 (2),103 - 112 (2011)。https://doi.org/10.7785/tcrt.2012.500185
9. 服部y y Komachi, t .仓叶,t . Shimosegawa g . Kanai h .田代,h .佐藤。”在活的有机体内拉曼的研究生活大鼠食道和胃内窥镜下使用一台探测器”,达成。Spectrosc。61 (6),579 - 584 (2007)。https://doi.org/10.1366/000370207781269747
10. c·肯德尔:石头,n .牧羊人k .弋波b·沃伦·r·班尼特和h·巴尔,“拉曼光谱,一个潜在的工具的目标识别和分类肿瘤巴雷特食管的”,半岛综合体育官方APP下载德甲j .分册。200 (5),602 - 609 (2003)。https://doi.org/10.1002/path.1376