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叶坚、陈垚、陆劲松团队首次在安全激光剂量内基于拉曼探针实现术中恒河猴前哨淋巴结的准确定位
发布时间:2024-03-29 22:10:16

前哨淋巴结(Sentinel lymph node, SLN)是恶性肿瘤发生淋巴转移的第一站淋巴结,对恶性肿瘤区域淋巴结的转移情况及指导淋巴结清扫具有重要意义。通过前哨淋巴结活检可以在保证肿瘤安全性的同时,有效避免不必要的大范围淋巴清扫,减少淋巴水肿等诸多并发症。

此前,澳门太阳集团2007773官网叶坚教授团队利用缝隙增强拉曼探针GERTs)实现了新西兰兔术中前哨淋巴结的准确定位及微创手术(Raman Nanotags-Guided Intraoperative Sentinel Lymph Nodes Precise Location with Minimal Invasion. Advanced Science, 2022, 9, 2102405)。尽管GERTs探针作为SLN示踪剂初现潜力,但值得注意的是,若将该技术真正推向临床转化还面临两个重大瓶颈,包括:(1)难以实现激光最大许可照射剂量(Maximum permissible exposure, MPE)范围内的安全的SERS检测或成像;(2)缺少合适的可模拟人类乳腺区域淋巴系统的动物模型进行试验。目前几乎所有利用拉曼探针实现SLN示踪(以及其他拉曼探针相关活体成像或检测)的研究中,所使用的激光功率都远高于安全MPE阈值,这一巨大的安全风险致使临床应用前景受限。同时,尽管拉曼探针在小鼠模型SLN定位上取得了鼓舞人心的成果,但是小鼠模型与人类的肢体在生理、解剖和功能上存在着较大差异,尤其是小鼠的SLN模型与人真实的乳腺相关区域的淋巴系统有较大差别:(1小鼠淋巴管相比于人体淋巴管其直径要小很多。小鼠淋巴管的直径通常为 65-155 μm,而人的淋巴管直径为 200-2000 μm,较小的淋巴管直径会影响拉曼探针在体内的迁移速度和效果。已有前期的研究报道,对于从SLN到二站淋巴结的引流在小鼠模型上的速度比大动物例如兔要慢得多。(2)小鼠SLN与二站淋巴结之间的相对距离比人体更大。在小鼠模型中位于大腿内侧的腘窝淋巴结区域仅存在一枚淋巴结二站淋巴结在腰部两者距离较远而人体腋窝区域通常会有多枚淋巴结且人体的SLN与二站淋巴结之间的距离较短这也是造成外科医生手术过程中SLN和二站淋巴结区分困难的重要原因; (3)小鼠的体型和人相差较大。在小鼠模型上有效的拉曼探针的颗粒大小、剂量、浓度、迁移时间等都较难作为人体临床应用的参考。因此,小鼠模型并不能很好地反映示踪剂在人体乳腺区域淋巴系统中真实的迁移和驻留状态更合适的动物模型也是推进拉曼探针进一步临床应用的关键。

 

1. 近红外二区拉曼探针与近红外一区探针相比在恒河猴术中前哨淋巴节精准定位应用中的优势

 

近日,上海交通大学叶坚、陈垚、陆劲松团队通过合作在Biomaterials发表了题为“Sentinel Lymph Node Identification Using NIR-II ultrabright Raman Nanotags on Preclinical Models”的研究工作。如图1所示,本项目通过全新的思路来开发具有超高亮度、低激光功率密度激发的新型近红外二区缝隙增强拉曼探针(NIR-II tags),结合近红外二区(1064 nm)手持式拉曼设备,并选用与人体乳腺相关区域淋巴系统更类似的大动物模型(包括新西兰兔、非人灵长类恒河猴),实现满足激光MPE水平的安全术中SLN示踪。

通过合理设计得到高亮度NIR-II tags后,该团队首先在新西兰兔上进行了动物实验验证。图2a展示了术中SLN定位过程,新西兰兔乳头皮下注射NIR-II tags术前可使用手持式1064 nm的激光器经皮初定位,根据探针特异性的信号指导手术。得益于NIR-II tags超高的亮度以及1064 nm激光一定的组织穿透能力,首次实现了MPE范围内,基于拉曼探针的SLN定位(图2b值得一提的是,即使将激光能量降低到MPE四分之一,仍然能够检测到探针信号,实现了高安全性下的精确SLN定位(图2cd)。这一发现不仅显示了该技术的高效性和安全性,也与传统的近红外一区探针相比展现了显著的优势,后者在MPE范围内无法实现术前经皮的有效检测(图2eg)。


 

 2.近红外二区拉曼探针在激光安全剂量范围内实现新西兰兔术中SLN的准确定位

 

继在新西兰兔上取得显著进展后,该研究团队进一步拓展了他们的研究范围,将高亮度的NIR-II tags应用于非人灵长类动物模型——恒河猴,以探索其在医学成像领域的应用潜力。在模拟临床SLN活检的过程中,研究人员通过在恒河猴乳头皮下注射NIR-II tags安全的激光照射剂量,成功定位到腋窝部位的SLN,标志着该技术在更贴近人类解剖结构的模型中的成功应用(图3 ac)。特别值得注意的是,该团队首次在恒河猴腋窝部位定位到多个SLN(图3 de),这一现象与人类腋窝部位的常见情况相符,进一步证明了恒河猴作为实验动物模型的优越性。通过术后检测(图3 fg),研究团队再次确认了NIR-II tagsSLN中的有效富集,确保了SLN的精确定位。这一成果不仅展现了NIR-II tags在医学成像领域的巨大潜力,也为未来的临床应用提供了重要的前期数据支持。

研究团队对这项技术在提高手术效率和减少患者风险方面的应用前景持乐观态度,期待未来能够将这种高效、安全的新型SLN定位技术应用于人类患者,为医学诊断与治疗提供更精确的辅助手段。

 

3. MPE范围内,基于NIR-II tags实现恒河猴术中SLN的准确定位

 

该项工作是上海交通大学澳门太阳集团2007773官网叶坚团队、陈垚团队和上海交通大学医学院附属仁济医院陆劲松团队的合作成果。上海交通大学澳门太阳集团2007773官网邓斌格博士为论文第一作者,上海交通大学医学院附属仁济医院乳腺外科主治医师王耀辉、澳门太阳集团2007773官网林俐助理教授、陈垚教授以及叶坚教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会、上海交通大学医工交叉项目、上海交通大学医学院转化医学协同创新项目、上海交通大学医学院附属仁济医院临床科研创新培育项目的支持。

 

全文链接:https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122538

 

 

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