长文盘点|基于术中可视化的血管/神经/肿瘤荧光手术导航技术 ...

没什么

随着腔镜外科手术的广泛普及以及手术机器人的快速发展，对于手术的精准术中定位和识别的要求越来越高。与传统开放式外科常规手术相比，术中荧光可视化技术在荧光内窥镜、ICG荧光造影剂以及荧光手术导航硬件的广泛应用下蓬勃发展。术中荧光成像可以在手术期间提供血管、肿瘤、淋巴结、神经等实时识别，将为术中靶标部位精确定位以及寻找最佳外科手术路径方面提供新的工具，减少术中出血以及医源性神经损伤，保证手术术中的安全，最大程度避免对大血管和神经的损伤，以至于缩短患者的院外康复时间。
据报道，医源性神经损伤仍然是许多普通外科手术中发病率的主要原因。由于报道的异质性，手术中医源性神经损伤总发生率的准确估计是未知的；然而，可信的估计值在1.5% -15%之间。随着外科手术率的逐年增加，医源性神经损伤的风险也在增加。美国每年进行约1亿例住院和门诊手术，假设医源性神经损伤的平均发生率为10%，美国每年有超过1000万患者处于危险之中。

血管可视化
对于术中血管的可视化，个人认为在几个方面对手术风险的控制有好处，第一个是对于血流动力学的整体观察以及术前特定血管的快速确认，包括特定血管的夹闭；第二个是外科手术在剥离操作寻找目标器官的时候，因为大部分组织黏连非常严重，血管的原有位置或者新生成的血管难以确认位置，在切割或者剥离的时候需要从血管分布较少的地方进行操作，在出血量上进行确定性的控制，要不然术中大出血可能导致出血量过高，给患者带来致命性的手术风险。
ICG
吲哚菁绿（ICG）是常用的近红外荧光染料示踪剂，可被波长范围在750～810nm的外来光所激发，发射波长840nm左右的近红外光，其增强荧光的组织穿透深度范围在0.5～1.0 cm之间。1954年即被美国食品药品管理局批准应用于临床生物显影。注入血液后ICG会迅速与血浆蛋白结合（98%），随血液经过肝脏时90%以上被肝细胞摄取，再以原形由胆道排泄，不参与体内化学反应，无肠肝循环，无淋巴逆流，不从肾脏等肝外脏器排泄，无辐射，无毒副作用，且排泄快，正常人20min内约有97%从血液中排出。
ICG起初在临床上用于血管造影，并逐渐在识别前哨淋巴结、转移性淋巴结及评估组织灌注中应用。静脉给药的ICG与血浆蛋白结合后ICG被限制于血管内，随血液循环至器官组织的毛细血管，可判断组织血液灌注情况;局部注射ICG，其一部分与组织中白蛋白结合留在局部，可通过观察局部荧光情况定位肿瘤。ICG荧光显影淋巴结技术的原理是在肿瘤周围富含淋巴网的组织内注射ICG，继而ICG可沿淋巴管引流并与淋巴管中的蛋白结合，在淋巴结中浓集。在正常肝组织中，ICG可迅速被肝细胞摄取，并在激发光的照射下显示荧光。随着ICG经胆道系统排泄，荧光逐渐消退。当存在肝脏肿瘤或肝硬化结节时，胆道排泄功能受损，ICG靶向滞留在病变组织中，出现延迟消退现象。
Activ Surgical


Activ Surgical成立于2017年，总部位于波士顿，致力于将其无需额外染料的术中成像技术整合到最常见的腹腔镜手术中，其中包括胆囊切除术，结肠切除术，子宫切除术和胃切除术。这些手术中使用的相关器械对血流以及关键结构的识别有着很高的要求。ActivSight硬件系统于2021年4月获得FDA 510(k)许可。


与可注射ICG染料方法不同的是，ActivSight可以实时可视化血流（如果血流减慢或停止，组织图像会改变颜色）。其技术路线是采用LSCI (laser speckle contrast imaging 激光散斑衬比分析成像）技术。这是一种非侵入性光学成像技术，基于对散射和随机干扰后的光信号进行分析，从而获得生物组织(如红细胞)中散射粒子的速度信息，被开发用于以高空间和时间分辨率对体内血流动力学和血管结构进行成像。
ActivSight是世界上唯一一个无需注射任何染料即可在术中实现血流等可视化的系统。可动态无缝地接入商业腹腔镜系统或手术机器人系统，为全球范围内的临床医生提供实时的术中可视化数据和图像。
平行线医械前沿
ActivSight由以下组件组成：
1，ActivSight成像模块，这成像模块物理连接在第三方腹腔镜和第三方成像系统摄像机。
2，ActivSight光引擎，提供激光荧光和近红外照明，视频处理来自第三方摄像机控制单元（CCI） 和 ActivSight的输入成像模块，并将视频输出到手术监视器。,
3，ActivSight光缆，由Y形分叉灯组成的组件连接到第三方白光源（ActivSight Light）的电缆发动机和第三方腹腔镜灯柱（提供白光）通过腹腔镜照射手术部位。
4，ActivSight灭菌托盘，不锈钢灭菌托盘设计用于正确固定 ActivSight 光缆以进行消毒和灭菌。

神经可视化
Alume Bioscience


Alume Bioscience公司成立于2017年，总部位于San Diego。其开发的ALM-488是一种神经特异性的荧光肽-染料共轭物，可以用具有荧光成像功能的仪器进行可视化，包括滤光片改良放大镜系统、便携式手持系统、显微镜和腹腔镜。ALM-488与神经的细胞外基质结合，可在手术中实现实时神经成像。ALM-488预计将有广泛的手术应用，因为它具有独立于神经髓鞘的独特结合特性，而神经髓鞘是围绕神经的绝缘层。这使ALM-488能够突出多种类型的神经，包括运动、感觉和自主神经。退化的神经在重建手术中至关重要，ALM-488也能突出显示。对神经有潜在风险的手术包括颅底、头颈和脊柱的手术，以及保留神经的前列腺切除术。


根据Alume公司的专利CA3153142A1：Methods and systems using peptides for targeting and mapping human nerves in image guided surgery, diagnostics and therapeutic delivery，可以提示神经定位的多肽类型。其采用了神经归巢肽序列，是通过其结合人类神经的能力来鉴定和筛选的，在全身性静脉注射入人类患者后，这些肽能够更特异性和有效地结合人类神经。具体方法是通过噬菌体展示筛选用于鉴定对在人外周神经中表达的蛋白质(巢蛋白-2、髓磷脂蛋白零(MPZ)、髓磷脂PLP和髓磷脂碱性蛋白)特异的人神经结合肽序列，以及在人神经中表达的特异性层粘连蛋白多聚体。神经靶向肽可用于包含神经靶向肽缀合物以及货物分子，例如药物、荧光部分或光敏剂，神经靶向肽缀合物可用于识别神经元或神经，将药物或将光敏剂递送至神经元或神经。
2020年8月，Alume申请I-II期研究，涉及ALM-488在头颈部手术中的研究新药(IND)，与荧光引导手术(FGS)成像设备公司OnLume Inc合作。OnLume拥有独特的FGS成像技术，可在手术过程中实时照亮关键解剖结构，以优化手术精度，从而改善患者疗效，降低发病率和成本。IND由美国FDA医学成像和放射医学部门(DMIRM)批准，该部门负责基于图像的疾病诊断和监测中使用的药物产品(Clinicaltrials.gov: NCT04420689)。
Alume Bioscience的首席执行官和创始人Quyen Nguyen博士说:“作为外科医生，我们依靠我们的经验来识别神经，但它们经常被掩埋或与邻近的非神经组织无法区分。这项研究旨在证明通过让神经发出荧光来提高手术精度。我们很高兴将OnLume先进的荧光可视化技术融入到这项临床试验中。”
OnLume的首席技术官兼联合创始人Adam Uselmann表示，“我们很高兴与Quyen Nguyen博士的团队合作进行这项开创性的临床试验，这可能有助于显著减少或防止手术期间的神经损伤。”
lluminare Biotechnologies


lluminare Biotechnologies成立于2016年，总部位于Brooklyn。Illuminare-1是目前由Illuminare Biotechnologies与斯隆-凯特琳癌症中心(MSK)合作开发的单剂量可注射髓磷脂结合荧光剂，用于在蓝光照明下的开放和微创手术中提供潜在小至约60微米的神经的实时可视化。该药物在动物研究中显示具有立即起效和持续4-5小时的活性。安全性已经在动物模型中确立。


根据PLOS ONE这篇文章，PLoS One. 2015; 10(6): e0130276.，GE3126就是Illuminare-1，可以特异性的结合到神经组织的髓磷脂。lluminare Biotechnologies的新型神经成像剂Illuminare-1已获得美国FDA的快速通道指定。在外科手术过程中实时定位和描绘神经的能力可以避免严重的、潜在永久的、非故意的神经损伤。
2023年1月，Illuminare Biotechnologies宣布了Illuminare-1 I期试验中第一位参与者的剂量。与Illuminare Biotechnologies的合作者一起，在纪念斯隆-凯特琳癌症中心(MSK)进行了第一次人体临床试验，对接受机器人辅助根治性前列腺切除术的患者进行试验。Illuminare-1的1期试验是在多达50名接受机器人辅助根治性前列腺切除术的患者中进行的剂量递增研究。1期试验的主要目标是安全性，次要目标包括确定Illuminare-1的人体药代动力学，并根据荧光选择最佳剂量，以在临床上推广。
“对第一期试验的第一位参与者进行给药是该药物的一个重要里程碑，我们希望这将最终减少手术中意外的神经损伤，”临床试验的首席研究员和MSK泌尿外科副主治医生Timothy Donahue博士说。“美国FDA的快速通道标志突出表明，在一系列外科手术中，对有可能减少意外医源性神经损伤的药物的需求尚未得到满足。”

肿瘤可视化
Vergent Bioscience


Vergent Bioscience成立于2016年，总部位于Minneapolis。VGT－309是该公司的肿瘤靶向荧光显像剂，Vergent Bioscience最初从斯坦福大学获得了该分子的许可，使外科医生能检查到以前未被发现或难以发现的肿瘤，确保在开放、微创（MIS）和机器人辅助的手术中切除所有肿瘤组织。该公司首先在肺癌中评估VGT-309，有可能将其应用扩展到广泛的实体瘤。
2022年10月4日，Vergent Bioscience宣布结束2150万美元的B轮融资。本次B轮融资领投方为Orlando Health Ventures，跟投方为Intuitive Ventures（直觉外科投资基金）等。Vergent Bioscience总裁兼首席执行官John Santini博士说：“我们感谢世界级投资者的支持，他们与我们一样相信VGT-309是一种高度分化的显影剂，将通过提高肿瘤的可见度，帮助外科医生充分发挥微创和机器人辅助手术的潜力。我们之前的临床研究已经证实了VGT-309的潜力，这些额外的资金将使我们能够有效地推进目前和未来的肺癌临床试验。”
VGT-309在手术前几个小时通过短时间输注输送给患者。该分子与靶向组织蛋白酶Cathepsin紧密结合，组织蛋白酶是在广泛的实体瘤中高度过表达的一系列蛋白酶，确保分子信号保留在肿瘤部位，在正常组织中产生最少的背景信号，并且与所有市售的近红外术中成像系统兼容，支持微创和机器人辅助手术。


VGT-309由与ICG荧光团、IRDye QC-1猝灭剂以及桥接的组织蛋白酶靶向的PMK亲电试剂组成。VGT-309的作用机理是ICG荧光团被QC-1淬灭剂淬灭，直到它被半胱氨酸组织蛋白酶共价结合后切割PMK分子，ICG分子重新游离并发光。



Avelas Biosciences


Avelas Biosciences成立于2008年，总部位于San Diego，专注于开发和商业化pegloprastide(也称为AVB-620)，目标是通过实时边缘检测彻底改变癌症手术。在一项对接受乳房肿瘤切除术的早期乳腺癌妇女进行的前瞻性试验中，术中使用AVB-620成像检测到标准护理技术产生的阳性切缘高达75%。除了乳腺癌，AVB-620还有可能显著改善其他各种癌症手术的结果。


Avelas Biosciences开发的AVB-620是一种可以通过静脉注入人体的荧光多肽。AVB-620在蛋白酶(protease)较低的在正常组织中发蓝光，在蛋白酶较高的肿瘤组织中发红光。利用这种区别，Avelas公司的肿瘤成像系统可以引导手术进程。
Avelas从诺贝尔奖获得者钱永健处获得了核心技术的授权，钱永健也同时成为Avelas的联合创始人与实验室合作者，Avelas也是其遗留的生物医药资产。该公司目前的总裁及首席执行官是Carmine Stengone。他拥有超过15年的制药和生物技术行业的经验，曾供职于COI Pharmaceuticals，Afraxis Holdings，Phenomix Corporation等，在研发，管理与投资领域都具有丰富的经验。他拥有康奈尔大学的工商管理硕士学位与杜克大学有机化学硕士学位。 该公司的首席科学官是Jesus Tito Gonzalez。Gonzalez拥有超过15年的研发和管理经验。他在商业化成像技术与制药方面具有丰富的经验。他参与研发的产品包括：用于检测细胞表面电势的VIPR（Voltage/Ion Probe Reader）与E-VIPR，治疗囊肿性纤维化的药物Kalydeco。Gonzalez拥有普林斯顿大学的化学博士学位，并且以Howard Hughes Medical Institute Fellow的身份在加州大学圣地亚哥分校进行过神经系统成像方面的博士后研究。Steven Chen是该公司的副总裁，主要负责临床事务。他是在圣地亚哥执业的外科手术医生。同时也是OasisMD的癌症手术主管。他从密歇根大学获得了医学博士与MBA学位。
Avelas Bioscience 公司采用钱永健的技术，开发了靶向MMP-2和MMP-9的探针AVB-620，用于改善乳腺癌的诊断与治疗。与基于配受体结合的探针不同，AVB-620的靶向性来源于能被MMP-2/9特异剪切的linker。探针中包含两个荧光基团：与CPP 连接的Cy5和与带负电荷肽段连接的Cy7。


2020年12月，Avelas Biosciences宣布美国FDA已授予该公司的AVB-620突破性疗法认定，用于在乳腺癌手术中检测和呈现阳性切缘（positive margins）。
Avelas公司之前完成的2/3期研究报告了正面的阳性数据，该研究评估了AVB-620在接受手术的原发性，非复发性乳腺癌女性中的安全性和有效性，并达到了实时检测边缘标本中癌症的主要终点（ p ＜0.001）。数据显示，在手术期间使用AVB-620可正确识别多达75％的患者的癌症，这些患者原本可能会进行重复（再切除）手术。该研究中观察到的再手术率包括AVB-620的患者为6％，而在接受初次肿块切除术的所有患者中，目前的再切除率估计为20-40％。
Lumicell


Lumicell成立于2008年，总部位于Newton, MA，专注于癌症手术的创新荧光导向技术。该公司的第一款产品是Lumicell Direct Visualization系统，旨在首次乳房肿瘤切除术中照亮乳房腔内的残留的癌组织，从而可能减少重复手术。Lumicell的专有泛肿瘤光学成像剂也正在各种实体肿瘤适应症中进行探索。该公司旨在通过指导切除其他可能遗留的癌症来提高护理治疗的标准。
乳房肿瘤切除术，也称为乳房保留手术(BCS)，是治疗非侵入性和早期乳腺癌的标准护理。在乳房肿瘤切除术过程中，肿瘤和一些周围组织被切除，并将其送到病理学家处进行组织的术后评估，以确定是否在患者体内留下了残留的癌症。然而，这种病理学评估是一种耗时的过程，通常需要几天时间才能将最终结果发送给外科医生。如果病理学家发现被切除组织的一部分具有邻接边缘的癌细胞(诊断术语称为“正边缘”)，则可能需要额外的二次手术切除来完成患者体内残留癌细胞的切除。研究表明，约14%切缘阴性的患者仍有残留的癌症，目前任何可用的外科手术都无法解决。
为了满足这些临床需求，Lumicell正在开发一种新的成像系统，该系统由专有的光学成像剂、手持式成像设备和患者校准的肿瘤检测软件组成，它们共同组成了Lumicell直接可视化系统(DVS)，旨在实时照亮癌细胞，使外科医生能够在最初的肿瘤切除术手术中看到并移除残留的癌症。专利光学成像剂也正在多种实体瘤癌症类型中进行测试。Lumicell DVS结合了尖端的药物设计、先进的光学和复杂的算法，以帮助解决外科肿瘤学最紧迫的问题之一。2020年11月17日，Lumicell获得FDA药物评估和研究中心(CDER)的快速通道指定和滚动审查，以加快LUM成像系统在乳腺癌治疗中的开发和审查。
LUMISIGHT*是一种研究专用的肿瘤荧光试剂，在手术前(或同一天)使用，以突出癌细胞，手持式成像探头使外科医生能够在乳腺腔内进行扫描，以发现残留癌中激活的LUMISIGHT。基于患者校准的肿瘤检测软件的来自腔的实时图像指导外科医生移除残留的癌组织。
2022年3月，宣布来自Lumicell直接可视化系统(DVS)的234名患者、多中心可行性研究的临床数据将在外科肿瘤学会国际外科癌症护理会议(SSO2022)上发表。临床结果显示，Lumicell DVS不仅可以在初始手术过程中减少阳性切缘，还可以指导切除阴性切缘患者的残余癌，否则这些患者将无法接受手术治疗。像Lumicell DVS这样的革命性突破需要昂贵而耗时的临床试验来证明安全性和有效性，因此它们很少上市，而且上市速度很慢。


Lumicell总裁兼首席执行官凯文·赫什伯格(Kevin Hershberger)表示:“Lumicell DVS是第一项对乳房手术腔内和切除组织进行成像的技术，我们很高兴在这次会议上展示的数据将突出它可以为外科医生和患者带来的有意义的好处。“我们期待在今年晚些时候完成FDA批准申请，并在同行评审论坛上分享我们pivotal INSITE乳腺癌试验的数据。”超过800名患者在多种实体瘤癌症中接受了我们的LUMISIGHT光学成像剂注射。
LUMISIGHT (peguliacianane)是一种荧光染料，当注射到患者体内时是光学惰性的，它被肿瘤内和肿瘤周围的高表达的蛋白酶活性激活。根据US11426075B1：System and method for residual cancer cell detection以及Sci Transl Med，2016 Jan 6;8(320)“A mouse-human phase 1 co-clinical trial of a protease-activated fluorescent probe for imaging cancer”。


LUM015就是LUMISIGHT, 由荧光猝灭剂分子 (QSY21)、GGRK肽和20-kD聚乙二醇(PEG)和Cy5荧光团组成。因为在完整分子状态时，Cy5的荧光发射因为FRET近距离被淬灭剂吸收，不具有荧光信号；但在被组织蛋白酶 K、L 和 S进行蛋白水解切割后，释放淬灭剂（片段 1）以及游离的带荧光信号的活性片段2和片段3.

其他可视化技术
Astellas Pharma


安斯泰来制药（Astellas Pharma）是一家总部位于日本东京的研发型制药企业，在全球范围内研发、生产和销售创新型医药产品。作为日本第二大的处方药制药企业，2020年安斯泰来营业额收入排名首次进入全球前20。安斯泰来在器官移植和泌尿领域拥有全球最领先的治疗药物和技术，并不断加强在抗肿瘤、神经科学和基因治疗等领域的研发投入。


ASP5354是一种含有β-环糊精部分的新型吲哚菁绿（ICG）衍生物，由三重大学和名古屋大学发现的研究化合物，安斯泰来获得了全球独家开发和营销权。这种能够实现术中输尿管可视化的光学显像剂，作为外科手术的辅助手段，以减少复杂的腹部和盆腔手术(如结肠直肠或妇科手术)中医源性输尿管损伤(IUI)的可能性。IUI可导致长期并发症，如输尿管狭窄/梗阻、输尿管阴道瘘、急性或慢性肾衰竭或败血症。一项对美国200多万例手术病例的调查显示，IUI伴随着较高的发病率，在某些情况下，死亡率也较高。


当静脉给药时，其分子大小和亲水性允许其排泄到尿液中，主要通过肾脏快速排泄，并在手术期间通过使用近红外荧光(NIR-F)成像设备为外科医生提供输尿管的可视化。临床前结果显示，静脉注射0.01 mg/kg的ASP5354可使输尿管在给药后3小时内可见。ASP5354具有良好的耐受性，在食蟹猴中每天给药一次，持续4周，最高剂量为300 mg/kg，没有毒性相关变化。2020年10月，美国FDA已根据非临床和临床数据批准了ASP5354开发的快速通道指定。

结语
外科手术的发展目标就是最小创口、最少术中风险、最短康复时间，这其实也符合未来DRG收费模式的转变，降低医疗成本的必经之路。而在决定最少术中风险以及最短康复时间的因素中，术中荧光可视化的手术导航技术将发挥重大作用，在手术精准定位及手术路径优化等方面，降低术中风险，消除医源性损伤，缩短术后康复时间。目前，国内4K荧光内窥镜以及荧光成像导航玩家众多，在硬件储备上已经很富余，而荧光造影剂的发展还没有跟上硬件发展的速度，目前应用最广的还只是ICG，现在大多数技术都是依赖ICG去进行靶向衍生物的开发，因此未来希望有更多荧光靶向可视化技术开发出来，拓展荧光手术导航技术的应用，真正做到相辅相成。最后分享一篇中国科学院分子影像重点实验室田捷老师在本领域内发表的最新综述文章。


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突破心灵

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