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自动化所在肿瘤高灵敏度成像技术研究中取得突破

恶性肿瘤的早期成像对于癌症病人的临床诊疗具有十分重要的意义,也是长期以来国际上肿瘤学基础研究和临床研究的一大挑战性问题。中国科学院自动化研究所中科院分子影像重点实验室成功研发新型光学-核素多模融合分子影像成像技术(Radiopharmaceutical Excited Fluorescence Imaging, REFI),在该领域取得重要突破。


相关研究成果由副研究员胡振华和王坤为并列第一作者,由自动化所联合中国人民解放军总医院、武警总医院,共同发表于Nature Communications(2015, 6:7560. DOI: 10.1038/ncomms8560)。该论文作者为完全本土化的科研人员,体现了我国在前沿医学成像理论和技术上的自主创新能力和科研实力。


根据美国国立卫生研究院肿瘤研究所2014年的最新统计(统计样本近200万人),从1960年至今,多种癌症患者的5年生存期无实质性增长,皆低于50%。国际医学影像的权威学者,美国弗吉尼亚大学教授Bruce J. Hillman发表专题论文指出,传统的临床成像技术,如CT成像、磁共振成像、核素PET成像等,难以实现早期微小肿瘤病灶的检测(The New England Journal of Medicine, 2010,363(1):4-6)。其主要原因是成像技术的灵敏度瓶颈难以突破,直径小于5毫米的微小肿瘤无法有效进行成像。


自动化所研究员田捷领导的课题组针对医学成像技术在早期肿瘤检测上灵敏度不足这一关键科学问题,深入研究传统成像技术中灵敏度最高的核素PET成像和光学成像这两种模态的物理成像原理和关键成像技术。


通过一系列基础理论的研究和突破,该课题组提出利用高能伽马射线和低能契伦科夫荧光辐射进行内源双重激发成像,即REFI成像,从而代替传统的外源单一光学激发的光学成像模式。这一新型成像技术成功融合了核素PET成像和光学成像的各自优势。相较于核素PET成像分辨率差的缺点,REFI将其极限分辨率由2-3毫米提高到了光学宏观级别的亚毫米;相较于外源激发荧光成像,REFI将成像的信噪比平均提高了5倍以上。综合以上优势,REFI突破了常规单模态成像的灵敏度极限,将动物活体肿瘤无创成像检测的灵敏度,由5毫米的最小病灶探测直径推进到了2毫米(如图)。

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通过对比不同成像模态的成像效果,REFI的高灵敏度肿瘤探测效果展露无疑。图中对于肿瘤生长了36小时(直径不足2mm)和65小时(直径约5mm)的同一批乳腺癌原位裸鼠模型(图a)进行多模态对比成像实验。其中PET成像只能探测到肿瘤生长65小时后的病灶(图b);常规契伦科夫荧光成像(CLI)在两次实验中皆没有探测到肿瘤的位置(图c,CLI);而光学-核素融合的REFI成功探测到了36小时与65小时两个时间段的肿瘤位置(图c,REFI)。


由于超高灵敏度的REFI成像在早期微小肿瘤病灶探测上的优越性,自动化所相关课题组在完成理论创新和动物实验验证的基础上,正在努力推进该项新技术的临床医学转化和应用。该项研究工作也得到了国家科学自然基金委和科技部相关项目的支持。希望在“十三五”期间,相关研究及其临床转化能够取得更大的突破。


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