腦癌患者的生存時間有限，不可避免地會復發(fā)并隨后死亡，手術是一線治療方法。高級別腦癌患者的中位生存期約為14個月，但個體生存期存在差異。越來越多的證據表明，切除程度是與腫瘤延遲復發(fā)和延長生存期相關的最重要的危險因素腦癌切除可以延長生存期和延緩復發(fā)。然而，術中區(qū)分癌組織和非癌組織是具有挑戰(zhàn)性的，特別是在過渡和浸潤區(qū)。這在大腦語言區(qū)和運動區(qū)尤為重要。本研究測試了無標記、定量光學相干斷層掃描(OCT)在人類腦組織中區(qū)分癌與非癌的可行性。從32例II至IV級腦癌患者和5例非癌性腦病理患者中獲得新鮮的離體人腦組織。根據體積OCT成像數據，病理證實的腦腫瘤組織(無論是高級別還是低級別)在癌核心和浸潤區(qū)的光學衰減值均明顯低于非癌白質區(qū)，OCT對腦癌患者在5.5 mm 1的衰減閾值下具有較高的敏感性和特異性。作者還使用這個衰減閾值來確認術中使用攜帶人類腦癌的小鼠模型進行oct引導的活體手術的可行性。OCT系統(tǒng)能夠以每秒110到215幀的速率實時處理和顯示彩色編碼的光學屬性圖，或者對于8到16毫米的組織體積，1.2到2.4秒，從而為癌癥和非癌癥區(qū)域提供直接的視覺線索。本研究證明了OCT在鑒別癌組織和非癌組織方面的翻譯和應用潛力。與目前的臨床標準相比，術中使用它可以促進安全、廣泛地切除浸潤性腦癌，從而改善預后。

臨床腫瘤區(qū)與非腫瘤區(qū)(白質)離體OCT成像

使用掃描源OCT (SS-OCT)系統(tǒng)和微型手持成像探頭，在給定體積上掃描從37例患者手術切除的新鮮人腦組織，生成深度相關的OCT信號剖面和組織衰減值。為了準確評估衰減特性，我們開發(fā)了一種方法來消除光束輪廓的深度依賴效應的影響，其中來自腦組織樣本的OCT信號與來自具有已知衰減系數的氧化硅模體的OCT信號進行歸一化。在高速設置下[220,000次掃描/秒，每2D幀1024-2048次掃描，或每秒110至215幀2D幀(fps)]，我們的OCT系統(tǒng)需要1.2至2.4次掃描，處理和顯示8至16毫米3組織塊(電影S1)的OCT圖像和組織衰減結果。雖然默認的OCT視場設置為8至16 mm3，但我們可以使用機器人定位設備擴展視場。根據OCT結果和相應的成像組織組織學，建立了一個衰減閾值，用于識別高級別(IV級)和低級別(II級)的人類腦癌，具有較高的檢測靈敏度和特異性。最后，為了方便術中使用該技術，OCT圖像以直觀的3D和彩色編碼光學屬性圖顯示，以反映組織衰減特性。

臨床腫瘤樣本和正常腦組織具有不同的光衰減差異

對訓練數據集中的新鮮離體人腦組織(9個高級別、2個低級別和5個非癌癥)進行表征，以確定癌癥和非癌癥白質之間的光衰減差異。為了確保光衰減值的準確性，首先由shenjingbing理學家(F.J.R.)通過組織病理學分析確認所有癌癥組織與非癌癥組織的診斷。與周圍非癌白質相比，癌核心和浸潤區(qū)癌組織的衰減值都較低(圖2,A和C)。對于高級別腫瘤，非癌組織的平均光學衰減值(6.2mm?1)顯著高于浸潤區(qū)(3.5 mm?1)和癌核心(3.9 mm?1);對于低級別，非癌區(qū)平均光學衰減值(6.2 mm?1)顯著高于浸潤區(qū)(2.7mm?1)，但不顯著高于癌核心(4.0 mm?1)(表1)。然而，浸潤區(qū)低級別與高級別的衰減差異無統(tǒng)計學意義(2.7±1.0 vs 3.5±0.8;P = 0.45)和癌核(4.0±1.4比3.9±1.6;P = 0.94)。

與OCT衰減圖相關的腫瘤核心和浸潤區(qū)及組織學的敏感性和特異性

從訓練數據集中，發(fā)現閾值衰減值(定義為具有至少80%特異性靈敏度)為5.5 mm?1。使用這個閾值，我們確定了檢測高級別和低級別腦癌的roc(圖3A)。例如，腦癌樣本的衰減結果與相應的組織學顯示(圖3B)。值得注意的是，衰減圖代表了沿整個成像深度(1.8 mm)的3D組織塊的光學特性，而相應的組織學圖像則代表了該組織塊在特定深度的2D切片。在組織病理學驗證過程中，病理學家(F.J.R.)回顧了不同深度的多個切片，得出以下結論:切片顯示癌密度高的區(qū)域(衰減圖中紅色區(qū)域)，癌密度中等的區(qū)域(衰減圖中黃色區(qū)域)，以及癌密度低的區(qū)域，即以白質為主的彌漫性浸潤區(qū)和一些腫瘤細胞成分(衰減圖中綠色區(qū)域)。

OCT掃描可以幫助區(qū)分患者的腦癌組織和非癌組織

使用統(tǒng)一的數據集(訓練和驗證)來評估低級別和高級別癌癥不同亞組之間的光學衰減差異。發(fā)現無論采用何種治療方法，腦癌與非腫瘤白質相比具有明顯較低的衰減，并且新診斷的腦癌和復發(fā)的腦癌之間的衰減沒有顯著差異。癌核與浸潤區(qū)有相當的衰減(高級別P = 0.51，低級別P = 0.80, Welch st檢驗)。最后，與高級別和低級別癌核相比，非癌灰質的衰減明顯較低，但與高級別或低級別浸潤區(qū)相比則沒有明顯的衰減。除了光學衰減分析外，OCT成像還能夠識別顯微結構，這可以補充鑒別癌與非癌白質的衰減數據。雖然作者的研究主要集中在高級別(IV級)和低級別(II級)腦癌的衰減結果，但由于III級的鑒別傳統(tǒng)上困難且經常存在爭議，也研究了3例III級腦癌患者的衰減結果。非癌與III級腦癌組織的光學衰減值分布存在中度至顯著的重疊(癌核心和浸潤區(qū)分別有24%和77%的重疊)。組織學證實浸潤區(qū)顯示彌漫性癌浸潤，主要由非癌性白質和一些腫瘤細胞成分組成。總體而言，III級腦癌的癌組織和非癌組織之間存在更大的重疊(與II級相比)，這可能歸因于III級的樣本量有限。

小鼠腦腫瘤模型體內OCT檢測

為了測試OCT在術中檢測腫瘤和非腫瘤的能力，作者研究了5只移植了兩種不同級別人類腦癌的小鼠。小鼠被植入U87細胞系或患者來源的細胞系GBM272(圖S4)。術中獲取并顯示切除腔上的OCT衰減圖，可以在0.004 mm 3的尺度上分辨癌與非癌。OCT衰減圖幫助使用者在手術前后識別癌癥與非癌癥(白質)區(qū)域，甚至對于使用患者來源的GBM272細胞系表現出更多浸潤性腦癌特征的小鼠。成像后，切除小鼠大腦，由shenjingbingli學家(F.J.R.)檢查相應的組織學切片，以驗證OCT結果。這些組織學切片按照與OCT橫截面圖像相同的方向切片[即垂直于組織表面或垂直于OCT衰減圖，沿圖5 (B和C)中的虛線切片]。在術后和對照圖像中，在組織學圖像中可以看到殘余的癌癥(約占圖像面積的5%至10%)。

總之，OCT在腦癌切除中具有巨大的轉化潛力。除了腦癌，這種模式也可用于區(qū)分其他腦實質內腦癌(包括轉移性腦癌)的癌變組織和非癌變組織。這項研究為未來的臨床試驗和技術改進奠定了基礎，最終將導致一種能夠快速有效地檢測腦癌的技術，增加切除的范圍，從而提高患者的生存率。