全球首個多模態生物顯微鏡系統：更精準地治療癌症！

導讀

近期，韓國大邱慶北科學技術院（DGIST）的科研團隊開發出世界上首個多模態生物顯微鏡系統。該多模態生物顯微鏡系統可以分析手術過程中切除的腫瘤，並有助於癌症精準切除術以及腫瘤治療技術的研究。

背景

今天，讓我們從癌症說起。

什麼是癌症？根據世界衛生組織提供的信息，癌症是對可影響到人體任何部位的一大組疾病的通用術語。使用的其他術語還包括惡性腫瘤和贅生物。癌症的定義特徵之一是異常細胞迅速產生，其生長超過正常界限，並因此而能夠侵襲體內的臨近部位並向其他器官蔓延。這一過程被稱為轉移。轉移是癌症致死的主要原因。

根據世衛組織去年公布的數據，2012年約有1400多萬新發癌症病例，2015年有880萬人死於癌症，佔全球每年死亡總人數近六分之一，70%的癌症死亡發生在中低收入國家。大約三分之一的癌症死亡源自五種主要行為和飲食危險因素：高體重指數、水果和蔬菜攝入量低、缺乏運動、使用煙草以及飲酒。而在我國，癌症已成為疾病死因之首，發病率和死亡率仍在不斷攀升，對於公眾健康構成嚴重威脅。

然而，近些年來，全世界對於癌症的創新技術研究力度也在不斷加大，各種創新技術成果為癌症的早期診斷和有效治療帶來了新的曙光。筆者曾經也介紹過一些相關的創新研究案例。

例如：以色列的新科技，通過人體呼出的氣體檢測癌症；美國伊利諾大學芝加哥分校的科研人員讓腦細胞和石墨烯發生相互作用，區分出活躍的癌細胞和普通細胞，從而有助於未來開發簡單無創的癌症早期診斷工具；美國和加拿大的科研人員團隊開發出一種新型計算軟體，它能判斷人類DNA樣本是否含有與癌症以及其他不良健康狀況相關的表觀遺傳學附加物；美國華盛頓州立大學的研究人員開發了一種低成本、攜帶型的智能手機光譜儀，可以即時分析幾種樣本，捕捉腫瘤標誌物，提供實驗室級別的檢測結果；日本名古屋大學的研究人員開發的新型醫療裝置，可以有效地捕捉「胞外膜泡」（EV），利用它們篩查癌症；韓國大邱慶北科學技術院的科研團隊利用蜘蛛網微磁圖案，開發出集成生物感測器的新型晶元實驗室平台，它比現有生物感測器快20倍，可應用於癌症等疾病的早期診斷和複發診斷；巴西國家納米技術實驗室的科學家們設計出的生物感測器，能夠快速檢測出各種癌症以及神經疾病的相關分子。

創新

今天要再介紹一項與癌症治療相關的最新科研成果。近期，韓國大邱慶北科學技術院（DGIST）信息與通信工程系的科研團隊與納米和能源研究系 Eunjoo Kim 的科研團隊協力合作，開發出世界上首個多模態生物顯微鏡系統。該多模態生物顯微鏡系統可以分析手術過程中切除的腫瘤，並有助於癌症精準切除術和腫瘤治療技術的研究。

（圖片來源：DGIST）

2017年12月13日，這項研究的論文在線發表於國際著名期刊《自然》的姐妹雜誌《科學報告》（Scientific Reports）上。韓國國家研究基金贊助了作為「科學和工程基礎研究項目」的這項研究。

技術

簡單地說，這是一種利用結腸直腸癌的機械、化學和結構特性，分析腫瘤特徵的成像系統。下圖是該多模態生物顯微鏡系統的特徵示意圖。

（圖片來源：DGIST）

手術期間切除的腫瘤的病理組織學檢查是癌症外科手術過程中一項重要的程序。特別是，如果非常小的腫瘤遺留在手術部位，它就會成為癌症複發和轉移的主要原因。因此，精準地分析切除的腫瘤，對於搞清楚惡性腫瘤是否遺留在手術部位來說，非常有必要。

為了分析現有的腫瘤，很有必要將切除的腫瘤發送給病理學家，並通過顯微鏡檢查樣本，從而判斷惡性腫瘤組織是否得到了恰當的切除，以及手術期間是否由必要額外切除一些組織。然而，這一過程非常耗時，而且結果也會根據內外部因素而不同。

為了克服這些缺點，就需要使用光學顯微鏡或者超聲波。然而，這些設備卻無法用於嚴格的檢查，因為它們無法分析每個組織的深部，或者解析度較低。

Hwang 教授的科研團隊開發出一種基於高頻超聲波和聚光的生物顯微鏡，克服了之前開發的腫瘤分析成像系統的缺點。下圖是該多模態生物顯微鏡系統的結構圖。

（圖片來源：參考資料【2】）

多模態生物顯微鏡系統可以展開病理分析，並同時通過聚光的多光譜成像、高頻B超以及高頻超聲波輻射成像技術，檢測癌症手術期間切除的組織表面以及組織深處的腫瘤。

因為光譜學成像技術定量分析了由組織表面發出的光譜指標，所以比起熒光顯微鏡，可以對於組織和癌症區域進行更加精準地分析。高頻B超和高頻超聲輻射力成像技術，與現有的超聲成像技術相比，對於組織內部阻抗和彈性進行成像的解析度更高，因此它們能夠高度精準地檢測深部組織以及腫瘤區域。

研究團隊通過實驗證明：對於結腸癌患者的腫瘤組織來說，多模態生物顯微鏡系統可以從腫瘤的表面到深處，高分辨地分析腫瘤組織的機械、化學和結構特徵。

價值

Hwang 教授表示：「我們基於高頻超聲和光學光譜，開發出世界上首個多模態的生物顯微鏡系統。它彌補了現有成像分析系統的缺陷。我們將進行進一步的研究，將這個系統開發為內窺鏡系統，應用於手術前實際的癌症臨床診斷。

這項研究的成果顯示：多模態生物顯微系統有望定性地研究位於體外的切除的腫瘤的特徵。同時，這種多模態生物顯微鏡系統也有望通過提升腫瘤切除手術的準確率以及縮短手術時間，提升癌症手術的效率和成功率。

關鍵字

癌症、超聲波、光譜學

參考資料

【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

更多前沿創新技術，請關注微信公眾號：IntelligentThings，或者聯繫作者個人微信：JohnZh1984

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！