文章来源：中国激光

在肿瘤研究领域，科学家们一直在努力寻找更精准的诊疗方法，以提高患者的治疗效果和预后。

然而，虽然基于基因组学的肿瘤精准医疗能借助新一代测序技术发现肿瘤基因组中的致癌变异，但大多数易解释的突变已被发现，且基于测序指导的临床治疗效果并不理想，只有少数肿瘤患者能受益于基因突变靶点相对应的治疗，因此仅靠基因测序难以全面指导肿瘤诊疗。而传统的表型功能检测难以深入研究肿瘤致病机理和分子特征，且样本量需求大、培养周期长、成本高。为了克服这些局限，光学显微成像技术应运而生。

北京航空航天大学生物与医学工程学院、北京市生物医学工程高精尖创新中心的科研团队，在《中国激光》发表了《光学显微成像助力肿瘤精准医疗》的特邀综述，介绍了不同光学显微成像技术在肿瘤精准医疗领域的相关研究和应用。

多重免疫荧光显微成像

多重免疫荧光（mIF）显微成像，将不影响蛋白活性的荧光色素标记于抗体或抗原，荧光标记与相应的抗原或抗体结合后，在荧光显微镜下呈现特异性荧光反应，通过荧光色素的发光效应对生物组织和细胞中的特定蛋白进行成像。采用多重荧光探针分别对不同类型细胞的特异生物抗原进行标记，即可区分特定类型的细胞；若采用多重荧光探针对不同类型的目标蛋白分子进行标记，即可对亚细胞目标蛋白的含量和分布进行成像和检测。

图1 多重免疫荧光成像可深入探查肿瘤微环境和细胞间相互作用

多重免疫荧光（mIF）显微成像可对肿瘤细胞或组织中不同类型细胞的构成和比例、特定蛋白表达和含量以及空间位置关系等肿瘤微环境信息进行成像和分析，有助于理解肿瘤微环境中细胞间的相互作用。

自发荧光显微成像

自发荧光（AF）显微成像，区别于基于荧光探针的免疫荧光成像，直接对生物体自体和药物来源的自发荧光信号进行成像。自体荧光是细胞结构，如线粒体和溶酶体等，吸收激发光后自然发射的荧光信号。自发荧光成像可以检测生物样本本身或药物来源的具有自发荧光属性的分子的成分、含量和分布，并观测相关生物反应的过程及强度。

图2 自发荧光显微成像揭示肿瘤细胞的药物干预反应

威斯康星大学麦迪逊分校的Skala等以患者来源的肿瘤类器官（PDOs）作为肿瘤表型检测的研究对象，利用自发荧光显微成像捕捉代谢辅酶NAD（P）H和FAD（黄素腺嘌呤二核苷酸）的自发荧光信号，观察到了PDOs对治疗药物的反应；澳门大学Deng教授团队基于自发荧光显微成像技术，通过观察细胞内脂褐素的自发荧光变化来监测药物对肿瘤切片样本的影响；Yan等利用自发荧光显微成像技术进一步研究了抗肿瘤药物的临床反应。

荧光原位杂交显微成像

荧光原位杂交（FISH）显微成像，利用荧光偶联的DNA片段来标记感兴趣的基因组区域，这些标记的DNA片段会与目标DNA序列互补配对并形成杂交体，通过荧光显微镜可以高分辨观测和分析特定基因的拷贝数和空间位置。

图3 荧光原位杂交成像检测靶向治疗标志物及相关肿瘤分子特征

荧光原位杂交技术是目前临床上检测人类表皮生长因子受体2（HER2）过量表达的乳腺癌患者表达水平的主流方案；斯隆凯特林癌症研究所的Alexander Drilon教授团队应用荧光原位杂交成像技术对MET基因进行标记，并观测了其拷贝数的变化；Chrzanowska等通过荧光原位杂交成像技术检测了MET、ALK和ROS1等相关基因在肿瘤细胞中特定的扩增和重排；Pawlyn和Davies讨论了荧光原位杂交成像技术在多发性骨髓瘤（MM）个性化治疗领域的应用。

二次谐波显微成像

二次谐波（SHG）显微成像，利用激光在非中心对称结构（如胶原纤维）上散射产生的二次谐波信号进行显微成像，可在不需要对样本进行处理和染色的前提下，对组织样本进行成像并提供特定的成分信息。

图4 二次谐波显微成像，可通过胶原纤维等细胞外基质特征研究肿瘤分期判定和转移性预测。

西奈山伊坎医学院的Di Martino团队使用二次谐波显微成像技术分析了肿瘤组织的细胞外基质（ECM）特征；约翰霍普金斯大学的Zaver Bhujwalla教授团队使用二次谐波显微成像技术研究了前列腺癌转移过程中细胞外基质（ECM）的功能和特征；威斯康星大学的Eliceiri教授团队使用二次谐波显微镜对乳腺癌、胰腺癌和结直肠癌等肿瘤组织的胶原纤维进行了分析；Bian教授团队利用二次谐波显微成像技术研究了胃癌微环境中胶原纤维的变化及其与预后的关系；威斯康星大学的Best等利用二次谐波显微成像技术研究了肾细胞癌（RCC）中胶原纤维组织的排列，并探讨了其与肿瘤分级的相关性。

相干拉曼散射显微成像

相干拉曼散射（CRS）显微成像，自发拉曼散射不需要对样品进行任何化学或荧光标记，是一种无干扰的成像方法，适用于活体肿瘤细胞和组织的成像分析，能够实现高空间分辨率成像并能提供分子振动的指纹信息，可以区分不同的化学键和分子结构，在分子识别和分析方面具有非常大的价值。

但自发拉曼散射成像也有其自身的缺陷，如灵敏度较低且成像速度受限，较低的通量限制了其在肿瘤精准诊疗领域的应用。相干拉曼散射（CRS）仍将分子键振动作为成像的基础，但它可以通过非线性光学效应使拉曼散射信号显著增强，从而提高成像速度和检测灵敏度。相干拉曼散射主要包括相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）与受激拉曼散射（SRS）显微成像技术。

图5 SRS成像为肿瘤精准医疗提供了更深入的洞察。

2020年，美国加州理工学院的Wei团队利用SRS显微成像技术研究了转移性黑色素瘤细胞的代谢特征；波士顿大学的程继新教授课题组利用SRS显微成像技术发现了铂类耐药细胞在代谢上的显著变化；该课题组利用SRS显微成像技术研究了卵巢癌干细胞（CSCs）的代谢特征；Bardhan教授课题组利用拉曼显微成像监测了KRAS突变的结直肠癌（CRC）HCT116细胞在药物作用下的关键代谢物变化；北京航空航天大学的岳蜀华教授团队利用SRS显微成像技术对腹腔灌洗脱落细胞进行了成像分析；麻省理工-哈佛博德研究所的Regev教授团队通过整合高光谱SRS显微图像和多模态数据，推断出了活细胞中的基因表达谱。

其他光学显微成像技术在肿瘤精准医疗领域的研究进展

中红外（MIR）共振显微成像：哥伦比亚大学的Min教授团队提出了一种新的被称为振动绘画（VIBRANT）的高内涵光谱成像和分析方法，结合中红外振动成像、多重振动探针和创新数据分析方法，将振动光谱与成像技术相结合，在单细胞水平上监测了肿瘤细胞对药物干预后的生物化学反应。

中红外光热（MIP）成像：波士顿大学的程继新教授团队使用中红外光热成像技术对PC-3前列腺癌细胞中的脂滴进行了深度成像，对MIA PaCa-2胰腺癌细胞中JZL184药物分子的吸收进行了观测，并提出了名为“nitrile chameleons”的新型酶切探针，通过特定酶切反应产生可被MIP成像检测的信号，能在细胞内精确测量与探针相互作用的酶的活性，并观察它们在细胞内的异质分布。

图6 中红外（MIR）光热显微成像和瞬态吸收（TA）显微技术可提供亚细胞生化分子图像。

瞬态吸收显微成像（TA）：Liu等利用瞬态吸收显微成像技术和金纳米粒子（AuNPs）探针，评估了人类表皮生长因子受体2（Her2）mRNA在癌细胞和乳腺癌组织中的表达，将瞬态吸收显微成像结果与荧光原位杂交数据进行比较，证实了瞬态吸收显微成像技术在单细胞水平上对Her2 mRNA表达进行定量分析的准确性。

表面增强拉曼散射（SERS）技术：东南大学的崔一平教授团队利用表面增强拉曼散射（SERS）技术，基于由金纳米粒子、拉曼报告分子（DTNB）以及DNA修饰物组成的SERS纳米探针，通过DNA功能化水凝胶的新型外泌体检测方法，实现了SERS纳米探针光学信号的放大，通过监测SERS信号的变化定量且灵敏地检测了肿瘤源性外泌体，为实体肿瘤的早期诊断提供了新路径。

结论与展望

光学显微成像技术可在肿瘤微环境分析、肿瘤细胞代谢特征、基因到蛋白通路以及药物敏感性评估等研究领域提供新的研究策略和临床工具，在肿瘤研究和诊疗中发挥愈加重要的作用。

展望未来，光学显微成像技术和设备的进一步发展和优化将克服设备成本高和图像分析复杂等局限，为肿瘤诊疗在个性化、精准性以及效率方面带来更大突破，成为理解肿瘤基因型到表型的桥梁和开启肿瘤精准医疗的钥匙。

上海乐虎游戏信息科技有限公司作为光学技术创新与应用领域的佼佼者，在光学显微成像、光声成像以及光子产业上游核心元件等领域具有强大的研发实力和市场竞争力。未来，公司将继续秉承技术为先、创新引领的发展理念，为推动光学技术的进步和应用做出更大的贡献。