构建高灵敏度切伦科夫发光内镜系统用于胃肠道癌检测：开启早期诊断新征程

　　为解决传统胃肠道（GI）内镜对早期癌症诊断率低的问题，研究人员开展构建临床可用的高灵敏度切伦科夫发光内镜（CLE）用于 GI 癌症分子成像的研究。结果显示 CLE 检测灵敏度大幅提升，能精准检测癌症，为 GI 癌症早期诊断带来希望。

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　　在癌症的 “战场” 上，胃肠道癌是一支不容小觑的 “劲敌”。据国际癌症研究机构（IARC）报告，胃肠道癌在所有癌症中占比约 21.7%，在癌症死亡病例中占比达 25.3%。而且，胃肠道癌的预后与分期紧密相关，比如早期胃癌患者 5 年生存率可达 90% 以上，而晚期胃癌患者却不足 20%，因此早期诊断至关重要。

传统的胃肠道内镜主要依据肿瘤的形态变化来诊断，然而，一些早期癌症形态不典型，很容易出现误诊和漏诊。肿瘤细胞的分子功能变化其实先于形态变化，要是能开发出可以识别早期癌症分子功能变化的内镜系统，那无疑能大大提高内镜医生对癌症的早期诊断能力，这也是胃肠道内镜系统未来的发展方向。

光学成像技术中，以荧光成像为代表，在肿瘤术中导航成像、新辅助放化疗后残留病灶检测等方面发挥着重要作用，但获批的光学靶向探针种类有限，限制了荧光内镜成像的临床应用。切伦科夫发光成像（CLI）是一种独特的光学成像方式，放射性同位素衰变时会发射高速带电粒子，从而产生切伦科夫发光（CL）。几乎所有常见的医用放射性同位素（除了99 mTc ）都能产生 CL，这极大地丰富了光学探针的种类。而且 CL 自发光，无需外部激发源，能降低生物组织的自发荧光，获得理想的信噪比。胃肠道是一个天然避光的环境，切伦科夫发光内镜（CLE）有望成为实现胃肠道癌光学分子成像的有力工具。

此前已有研究构建了 CLE 系统，但检测灵敏度较低，只能检测到约 1 μCi 的核素（体内），而患者肿瘤吸收的核素探针在常规给药剂量下往往远低于 1 μCi，所以在临床应用前，需要进一步提高 CLE 系统的检测灵敏度。

第四军医大学等机构的研究人员为了攻克这一难题，开展了构建高灵敏度 CLE 系统的研究。研究人员通过采用强大的电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）、优化相机在长时间成像和高增益条件下的采集设置参数、修改相机与内镜之间的中间连接结构以及引入水冷系统来显著降低背景噪声等一系列操作，成功构建了高灵敏度的 CLE 系统。

研究人员对该系统进行了多方面的性能测试：

• 相机对比实验：对比了 ixon Ultra 888 和 897 这两种高性能 EMCCD 相机。结果显示，897 相机测量的光源信号强度为 1389 ± 55（a.u.），显著高于 888 相机的 1126 ± 15（a.u.）；897 相机的背景信号强度为 611 ± 70（a.u.），显著低于 888 相机的 654 ± 15（a.u.）；897 相机的信噪比（SBR）为 2.27 ± 0.09，显著高于 888 相机的 1.72 + 0.03。897 相机的实际最小可分辨放射性为 0.244 μCi，888 相机为 0.392 μCi，因此选择 897 相机作为 CLE 系统的 CL 信号处理设备。
• 897 相机采集参数测试：测试了 897 相机的成像时间、前置放大器增益、电子倍增增益、合并值、垂直时钟电压幅度等参数。发现成像时间为 300 s 时 SBR 为 2.382 ± 0.113，高于 60 s 时的 1.304 ± 0.011；前置放大器增益设为 gain 3 时 SBR 为 1.842 ± 0.021，高于设为 gain 1 时的 1.245 ± 0.022；电子倍增增益设为 1000 时 SBR 为 1.097 + 0.004，高于设为 500 时的 1.050 ± 0.005，设为 500 时高于设为 30 时的 1.003 ± 0.000；合并值设为 8 × 8 时 SBR 为 2.135 ± 0.015，高于设为 4 × 4 时的 1.477 ± 0.056；垂直时钟电压幅度设为正常时 SBR 为 1.725 ± 0.046，高于设为 +4 时的 1.211 ± 0.058 。通过这些测试确定了能使 SBR 最大化的采集参数。
• 不同工作温度下的传感器噪声测试：相机工作温度对检测性能影响很大。使用相机自带的热电冷却器（TEC）冷却传感器，测量了 -60℃、 -70℃和 -80℃下的相机噪声，发现随着温度降低，噪声强度显著下降。-70℃时相机噪声比 -60℃降低了 46.41 ± 0.90%， -80℃时比 -60℃降低了 63.34 ± 0.16% 。之后构建水冷系统，将温度进一步降至 -95℃，此时噪声强度为 347.71 ± 2.63（a.u.），比 -80℃时又降低了 22%，进一步提高了 CLE 系统的检测灵敏度。
• 不同长度直连器测试：设计了无透镜直连器连接相机和内镜，定制了 16 mm、12 mm 和 8 mm 三种长度的直连器。测试发现 8 mm 直连器过短无法使 CLE 聚焦成像，比较 16 mm 和 12 mm 直连器，12 mm 直连器的信号强度为 59.73 ± 6.93（a.u.），显著高于 16 mm 直连器的 36.67 ± 6.01（a.u.），平均提高了 1.64 + 0.19 倍。

研究人员还对 CLE 系统的性能进行了全面表征：

• 分辨率测试：使用定制的分辨率测试板对 CLE 系统进行切伦科夫光学分辨率测试，结果显示在常用的源探头距离和合并值下，系统分辨率可达 0.6 mm，优于商用 PET（横向分辨率 2.9 mm，轴向分辨率 3.0 mm）。
• 体外灵敏度测试：以68Ga 为光源，成像时间设为 300 s 时，实际最小可分辨放射性为 0.046 μCi，理论最小可分辨放射性低至 0.012 μCi；成像时间为 120 s、60 s、30 s 时，实际和理论最小可分辨放射性也相应变化。以18F 为光源，成像时间为 300 s 时，实际和理论最小可分辨放射性分别为 0.687 μCi 和 0.147 μCi。与之前的系统相比，CLE 系统的检测灵敏度显著提高。
• 体内灵敏度测试：将68Ga 与基质胶混合注入小鼠背部形成皮下假瘤，成像时间为 300 s 时，系统实际和理论最小可分辨放射性分别为 0.058 μCi 和 0.020 μCi，达到了纳居里水平；成像时间为 60 s 和 30 s 时，实际和理论最小可分辨放射性也有相应数据。体内灵敏度比之前的系统提高了近 22 倍。
• 荷瘤裸鼠的 CLE 成像：给荷瘤裸鼠尾静脉注射68Ga?FAPI?04 ，分别以 300 s 和 60 s 为成像时间进行 CLE 成像。结果显示，CLE 能检测到肿瘤部位发出的 CL，与肿瘤在白光照片中的解剖位置相符，肿瘤与周围正常组织边界清晰。定量分析表明，300 s 和 60 s 成像时肿瘤部位信号强度均显著高于周围正常组织，且 60 s 和 300 s 成像的 SBR 无统计学差异。CLE 与 PET/CT 的定位结果 100% 一致。

研究结论表明，研究人员成功构建了能检测纳居里放射性核素的高灵敏度 CLE 系统。该系统可通过快速分子成像准确检测癌症，在临床实践中具有早期诊断胃肠道癌的潜力。不过研究也存在一些局限，比如整个 CLE 系统的避光效果有待加强，CL 在穿透组织时会发生吸收和散射，可能导致定位不准确。未来可通过定制避光外壳和研究短波红外 CL 等方式来解决这些问题。

这项研究意义重大，它为胃肠道癌的早期诊断提供了新的技术手段，有望提高胃肠道癌患者的生存率和生活质量。同时，也为光学分子成像领域的发展提供了新的思路和方向，推动相关技术在临床中的应用和发展。

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