Nature Biomedical Engineering | 新一代術中分子導航平臺:免標記拉曼技術實現(xiàn)腫瘤惡性程度實時分級
前列腺癌是全球男性發(fā)病率最高的惡性腫瘤,也是我國發(fā)病率增速最快的癌種之一。根治性前列腺切除術是治療局限性前列腺癌的主要手段,但術中腫瘤邊界識別不清導致陽性手術切緣發(fā)生率高達15%–40%,成為術后復發(fā)的主要風險因素。如何在徹底切除腫瘤的同時,最大限度保留患者功能組織,是臨床面臨的重大挑戰(zhàn)。
11月18日,中國科學院深圳先進技術研究院醫(yī)學成像科學與技術系統(tǒng)全國重點實驗室鄭海榮院士、楊慧研究員團隊與復旦大學李聰教授、王杭主任醫(yī)師、余錦華教授等合作,在Nature Biomedical Engineering上發(fā)表題為"Label-free Navigation System for in-situ Grading Prostate Tumor Malignancy via Tissue pH and Prostate-Specific Antigen Activity"的研究論文。研究團隊成功研制了一套基于表面增強拉曼散射(SERS)與微流控技術的術中導航系統(tǒng),實現(xiàn)前列腺癌惡性程度的原位、快速、無標記分級。
該系統(tǒng)主要由微流控采樣、SERS檢測陣列、AI智能分析模塊組成。團隊研發(fā)的非對稱通道微流控采樣筆(NanoDraw)結合氣液反饋控制,實現(xiàn)了對組織表面標志物的自動化、無損、連續(xù)提取,單點采樣僅需6秒,有效避免交叉污染。采樣后液滴被自動轉(zhuǎn)移至高靈敏度SERS陣列,通過功能化拉曼報告分子同步檢測組織酸度(pH)與前列腺特異性抗原(PSA)活性,實現(xiàn)對腫瘤惡性程度的雙重識別。系統(tǒng)內(nèi)SERS陣列結構均一、信號穩(wěn)定,具備優(yōu)異的拉曼增強性能。結合團隊構建的二維遞歸圖-卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(2D-CNN)AI分析模型,系統(tǒng)可在2秒內(nèi)完成光譜解析與生物標志物定量輸出,精準識別Gleason分級分組GG≥3的高級別腫瘤區(qū)域。
在涉及144例前列腺癌患者的臨床試驗中,該系統(tǒng)對高級別腫瘤(GG≥3)識別的AUC值達0.890,展現(xiàn)出優(yōu)異的臨床轉(zhuǎn)化潛力。該系統(tǒng)全流程自動化、無需外源標記物,具備成為術中“實時病理”技術的潛力,有望顯著降低陽性切緣率,改善患者預后。
楊慧研究員指出:“這項技術的核心目標,就是為外科醫(yī)生裝上一雙‘分子眼睛’。在手術中,傳統(tǒng)方法很難實時看清腫瘤的惡性邊界。我們的系統(tǒng)通過在體、無損采樣,幾分鐘內(nèi)就能生成一張腫瘤的‘惡性程度地圖’。醫(yī)生可以根據(jù)這張地圖,果斷切除高風險區(qū)域,同時放心保留低風險組織,這為實現(xiàn)‘最大化腫瘤切除、最小化功能損傷’這一臨床黃金法則提供了切實可行的技術路徑。”
本研究得到了國家重大科研儀器研制項目、國家杰出青年科學基金、上海市衛(wèi)健委交叉學科前沿項目等多項支持。目前,團隊正積極推進該設備的產(chǎn)業(yè)化與臨床應用轉(zhuǎn)化,并探索其與腹腔鏡、手術機器人等微創(chuàng)手術平臺的集成能力。

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