擔(dān)心腫瘤切除不徹底?外表看不出異常的組織該不該切?這樣的擔(dān)憂和疑問(wèn)恐怕不止一位病人和醫(yī)生有過(guò)。

　　9月6日著名期刊《科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》雜志以封面的形式發(fā)表的重磅研究成果，也許將打消這些顧慮。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種方便快速的筆形探測(cè)器，能在10秒之內(nèi)確定手術(shù)切緣組織的良惡性狀況，用時(shí)是現(xiàn)行病理診斷手段的1/150[1]!

哪里不清楚?那就點(diǎn)哪里!

　　手術(shù)切除實(shí)體腫瘤時(shí)，對(duì)切緣性質(zhì)的判斷是非常關(guān)鍵的。以乳腺癌治療的保乳術(shù)為例，要判定癌灶與正常組織的界限，既要保證盡可能全部切除癌組織，讓手術(shù)切緣沒(méi)有癌細(xì)胞殘留，又要盡可能保留正常組織，以達(dá)到外表美觀的目的。而對(duì)肺癌、卵巢癌等癌癥，若手術(shù)切除后仍留有癌灶殘余，原處復(fù)發(fā)往往預(yù)后不良。因此，完整切除腫瘤并進(jìn)行準(zhǔn)確的切緣判斷是手術(shù)高質(zhì)量的體現(xiàn)。

　　但到底切除范圍多大，才能實(shí)現(xiàn)完整切除不留后患呢?臨床實(shí)踐中并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，手術(shù)中更多要依靠術(shù)者根據(jù)術(shù)前檢查結(jié)果、腫瘤形態(tài)、切除組織量對(duì)正常生理功能的影響等因素進(jìn)行判斷，這就為癌癥復(fù)發(fā)留下了可乘之機(jī)。

本期《科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》封面

　　當(dāng)然，醫(yī)生們也并非全靠著經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)行事，冰凍切片檢查可以在手術(shù)過(guò)程中快速提供病理診斷，但這一方法也存在明顯的局限性。冰凍制片過(guò)程會(huì)影響組織結(jié)構(gòu)和癌細(xì)胞形態(tài)，因此閱片醫(yī)生需要豐富經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。雖然相對(duì)快捷，但冰凍切片檢查過(guò)程一般也需要30-40分鐘，手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)也會(huì)帶來(lái)病人出現(xiàn)麻醉意外的風(fēng)險(xiǎn)。而如果將病理診斷放到術(shù)后進(jìn)行，若手術(shù)切緣的確有癌組織殘留，病人可能又要再次經(jīng)歷手術(shù)，醫(yī)療花費(fèi)增加、手術(shù)并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)等一系列問(wèn)題隨之而來(lái)[2]。

　　針對(duì)這一問(wèn)題，近年來(lái)也不斷有新的技術(shù)手段和理念被提出，如術(shù)中熒光染色法[3]、拉曼光譜技術(shù)[4]、質(zhì)譜分析法[5]等?；谫|(zhì)譜分析法的多種手段已在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中，如電噴霧解析質(zhì)譜(DESI-MSI)、基于快速蒸發(fā)電離質(zhì)譜的智能電子手術(shù)刀iKnife[6]等。

智能手術(shù)刀iKnife

　　這些方法雖然有著較高的準(zhǔn)確性，但也有著各自的局限性。DESI-MSI需要高電壓產(chǎn)生電噴霧，限制了其進(jìn)入手術(shù)室實(shí)時(shí)應(yīng)用的能力，而iKnife則需對(duì)組織進(jìn)行切除后再作判斷。能否有一種無(wú)創(chuàng)且便于推廣的手段，實(shí)現(xiàn)手術(shù)過(guò)程中的快速病理定性呢?

　　Livia Ebervin帶領(lǐng)的德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研究團(tuán)隊(duì)也許找到了答案。她們開(kāi)發(fā)出了一種實(shí)時(shí)組織學(xué)診斷設(shè)備，命名為MasSpec Pen。這支“神筆”是多學(xué)科共同努力的結(jié)晶，Ebervin帶領(lǐng)的化學(xué)團(tuán)隊(duì)、Thomas Milner教授帶領(lǐng)的生物醫(yī)學(xué)工程團(tuán)隊(duì)、貝勒大學(xué)醫(yī)學(xué)院和MD安德森癌癥中心的病理學(xué)研究人員攜手完成了開(kāi)發(fā)工作。

Livia Eberlin教授(左)和論文第一作者張佳玲博士(右)

　　MasSpec Pen的整套設(shè)備主要由三個(gè)部分組成：一臺(tái)微量注射泵、雙向活瓣導(dǎo)管和形狀與一支筆相似的手持探測(cè)器。當(dāng)然，旁邊的質(zhì)譜分析儀也是必不可少。相信看過(guò)示意圖，很多外科醫(yī)生會(huì)對(duì)它的控制方式感到頗為親切。這不就像整天握在手中的電刀嘛!

MasSpec Pen設(shè)備示意圖

　　用Eberlin教授自己的話來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下MasSpec Pen的工作原理：“隨著生長(zhǎng)失控，腫瘤細(xì)胞的代謝會(huì)出現(xiàn)明顯失調(diào)，與正常細(xì)胞的差異極大，因此我們用MasSpec Pen對(duì)組織進(jìn)行像采集指紋一樣的提取和分析。通過(guò)簡(jiǎn)潔和平緩的化學(xué)過(guò)程，MasSpec Pen就能在不造成組織損傷的狀況下迅速提供給我們?cè)\斷所需的分子信息。[7]”

　　以下兩張動(dòng)圖可以更好地詮釋MasSpec Pen的工作流程。

探測(cè)器注入極微量的水，提取出病人體內(nèi)的小分子物質(zhì)

提取物傳遞到質(zhì)譜分析儀，進(jìn)行良惡性的判斷

　　整個(gè)過(guò)程中，探測(cè)器接觸組織的時(shí)間僅需3秒，而判斷可在10秒鐘之內(nèi)完成。

　　當(dāng)然，為了實(shí)現(xiàn)良惡性的判斷，還需要首先收集到用來(lái)判斷的數(shù)據(jù)。研究人員先從正常的組織中獲取了相關(guān)的數(shù)據(jù)圖譜，并與DESI-MSI法的結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果基本一致。再用同樣的手段進(jìn)行對(duì)癌組織的檢測(cè)，標(biāo)定出與正常組織明顯不同的圖譜表現(xiàn)，就讓“神筆”有了判斷的基礎(chǔ)。

正常組織(上)和癌癥組織(下)的質(zhì)譜圖對(duì)比

　　在實(shí)現(xiàn)快速判斷的同時(shí)，MasSpec Pen的損傷也是極小，相比大手術(shù)時(shí)動(dòng)輒十幾公分的切口，下圖里400微米的取樣，基本可以稱(chēng)為完全無(wú)創(chuàng)了。

?

?

　　是時(shí)候把“神筆”投入實(shí)戰(zhàn)了。使用MasSpec Pen，研究人員對(duì)包括肺、卵巢、甲狀腺、乳腺在內(nèi)的253份人體組織樣本進(jìn)行檢查，其中近半為癌癥組織，而這些癌癥每種都會(huì)出現(xiàn)不同的質(zhì)譜圖。MasSpec Pen的表現(xiàn)沒(méi)有讓人失望，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果顯示，它的診斷特異性達(dá)到了96.2%，敏感性為96.4%!

MasSpec Pen對(duì)不同類(lèi)型腫瘤的判斷精確度均很高

　　研究人員隨后對(duì)MasSpec Pen能否準(zhǔn)確區(qū)分組織學(xué)上的良惡性區(qū)域邊界進(jìn)行了測(cè)試，同樣得到了令人滿意的結(jié)果，MasSpec Pen的判斷與病理診斷結(jié)果幾乎完全相同。

　　為繼續(xù)驗(yàn)證MasSpec Pen的準(zhǔn)確性，研究人員決定在小鼠模型上進(jìn)行進(jìn)一步的活體試驗(yàn)。在向小鼠植入乳腺癌細(xì)胞并培養(yǎng)后進(jìn)行手術(shù)切除，再用MasSpec Pen進(jìn)行取樣檢測(cè)，分析的結(jié)果也清晰地顯示出了正常組織與癌組織的不同。

　　Livia Eberlin教授對(duì)“神筆”的臨床前景抱有很高的期待。“和術(shù)后的癌癥病人交談時(shí)，很多人說(shuō)的第一句話就是：‘希望醫(yī)生們把腫瘤徹底切干凈了’。若情況并非如此，就真的很讓人傷心。我們的成果可以大幅提高外科醫(yī)生手術(shù)中真正徹底切除腫瘤所有部分的概率。”

　　Eberlin團(tuán)隊(duì)成員，畢業(yè)于北大化學(xué)與分子工程學(xué)院的論文第一作者張佳玲則說(shuō)：“在設(shè)計(jì)MasSpec Pen時(shí)，我們就確定只有探測(cè)器的探頭和注入的水會(huì)與組織產(chǎn)生接觸，從而保持組織的完整性。它有很高的生物兼容性和自動(dòng)化水平，我們對(duì)將它轉(zhuǎn)入臨床使用極其興奮?！盵7]

　　Eberlin教授希望，這一研究成果能在2018年進(jìn)入臨床開(kāi)展初步的驗(yàn)證[8]。不過(guò)只研發(fā)出“神筆”，并不能解決投入臨床實(shí)踐面臨的所有問(wèn)題，首當(dāng)其沖的攔路虎就是質(zhì)譜分析儀的配備問(wèn)題。由于價(jià)格高昂(在美國(guó)可達(dá)50萬(wàn)美元一臺(tái))，質(zhì)譜分析儀往往多見(jiàn)于實(shí)驗(yàn)室，在手術(shù)室中相當(dāng)少有。

　　對(duì)此Eberlin教授表示，她設(shè)想開(kāi)發(fā)一種體積更小、僅保留MasSpec Pen配套功能，從而更加廉價(jià)的質(zhì)譜分析儀，應(yīng)用于手術(shù)室環(huán)境。這一想法也并非不切實(shí)際，佐治亞大學(xué)的研究人員今年就曾在《自然·納米技術(shù)》上發(fā)表相關(guān)的研究[9]。

　　MasSpec Pen的功能或許不僅限于判斷腫瘤的切除程度。在獲取更多數(shù)據(jù)建立大規(guī)模的數(shù)據(jù)庫(kù)后，研究人員還希望將它與腹腔鏡手術(shù)系統(tǒng)、機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)等微創(chuàng)技術(shù)和可視化技術(shù)結(jié)合，從而促進(jìn)更廣泛的臨床應(yīng)用。

　　《科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》用“筆比手術(shù)刀還神奇?”來(lái)形容此次的成果。奇點(diǎn)糕衷心希望，這樣一種簡(jiǎn)潔、快速、準(zhǔn)確的診斷手段能盡快進(jìn)入臨床，幫助外科和腫瘤醫(yī)生。

　　參考資料：

　　1.　　2.Buchholz T A, Somerfield M R, Griggs J J, et al. Margins for breast-conserving surgery with whole-breast irradiation in stage I and II invasive breast cancer: American Society of Clinical Oncology endorsement of the Society of Surgical Oncology/American Society for Radiation Oncology consensus guideline[J]. Journal of clinical oncology, 2014, 32(14): 1502-1506.

　　3.Stummer W, Pichlmeier U, Meinel T, et al. Fluorescence-guided surgery with 5-aminolevulinic acid for resection of malignant glioma: a randomised controlled multicentre phase III trial[J]. The lancet oncology, 2006, 7(5): 392-401.

　　4.Jermyn M, Mok K, Mercier J, et al. Intraoperative brain cancer detection with Raman spectroscopy in humans[J]. Science translational medicine, 2015, 7(274): 274ra19-274ra19.

　　5.Chughtai K, Heeren R M A. Mass spectrometric imaging for biomedical tissue analysis[J]. Chemical reviews, 2010, 110(5): 3237-3277.

　　6.Balog J, Sasi-Szabó L, Kinross J, et al. Intraoperative tissue identification using rapid evaporative ionization mass spectrometry[J]. Science translational medicine, 2013, 5(194): 194ra93-194ra93.

　　7.　　8.　　9.Li A, Zi Y, Guo H, et al. Triboelectric nanogenerators for sensitive nano-coulomb molecular mass spectrometry[J]. Nature Nanotechnology, 2017, 12(5): 481-487.