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编号:10213150
大肠正常组织和癌组织的自体荧光光谱特征分析
http://www.100md.com 《中国现代医学杂志》 2000年第9期
     作者:张阳德 刘蔚东 彭健

    单位:卫生部肝胆肠外科研究中心 长沙 410008

    关键词:自体荧光;大肠癌;胶原;细胞外基质;粘膜;早期诊断

    中国现代医学杂志000901 目的:研究大肠正常组织和癌组织的激光诱导自体荧光光谱特征,为大 肠癌的早期诊断提供理论依据。方法 :采用370nm激光诱导自体荧光检测分析系统采集24例外科手术切下的大肠癌组织和正常组 织的自体荧光光谱,分析两者的荧光光谱差异。结果:采集了400~700nm波长范围的自体荧 光光谱,400~590nm正常组织的荧光强度高于癌组织,590~700nm癌组织的荧光强度高于 正常组织。在波长460nm、690nm有特征波峰,在460nm正常组织和癌组织的特征峰强度分别 为1?193±101、782±88,正常组织的峰强度明显高于癌组织(P<0.001);在690nm特 征峰强度分别为556±28、618±29,癌组织的荧光强度显著高于正常组织(P<0.001)。 不同组织学类型的大肠癌荧光强度无明显差别。结论:正常组织和癌组织的自体荧光强度 存在差异,不同组织学类型的大肠癌荧光强度无明显差别。
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    分类号 R735.5+5

    DIFFERENCES IN LASER-INDUCED AUTOFLUORESCENCE BETWEEN NORMAL AND CARCINOMATOUS COLORECTAL TISSURES

    Zhang Yangde Liu Weidong Peng Jian.

    (National Hepatobiliary & Enteric Surgery Research Center, Changsha 41000 8)

    [Abstract]Objective: To investigate the differences in las er-induced auto fluor escence between normal and carcinomatous colorectal tissues. Methods: Auto fluor escence diagnostic system induced with 370nm laser light was used to detect the auto fluorescence of normal and carcinomatous colorectal tissues in 24 patients. The auto fluorescence differences between normal and carcinomatous tissues were analyzed and fluorescence characteristics were measured. Results: The auto fluo rescence spectra from 400nm to 700 nm were collected. From 400nm to 590nm the fl uorescence intensity of the normal tissues was higher than the carcinomatous tis sues and from 590nm to 700nm the intensity of the carcinomatous tissues was high er than the normal tissues. There were two characteristic wave peaks in 460nm an d 690nm. The intensity of largest peak in 460nm was 1193±101, 782±88, respecti vely, and in the normal tissues was significant higher than in the carcinomatous tissues (P<0.001). The peak intensity in 690nm was 556±26, 618±29, respe ctive ly, and in the normal tissues was significant lower than in the carcinomatous ti ssues (P<0.001). Conclusions: There were differences in the intensity of the las er-induced auto fluorescence between normal and carcinomatous colorectal tissues . There won't differences in the intensity of the laser-induced auto fluorescenc e between carcinomatous colorectal tissues with different pathologic basis.
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    Key words:Auto fluorescence; Colorectal Cancer; Collagen; Extra cellular Matrix; Mucosa; Early diagnosis

    自体荧光诊断技术以其无创、敏感性高、可以达到实时诊断等优点, 可望成为早期诊断消化道癌的一种极有前途的方法[1~5]。本文采用我们设计研 制 的激光诱导自体荧光(Laser Induced-fluorescence,LIF)检测系统,研究了大肠正常组织和 癌组织的自体荧光光谱特征,为自体荧光光谱诊断技术应用于临床提供了理论依据。

    1 材料与方法

    1.1 病例资料与标本取材

    标本取自湘雅医院肝胆肠外科和普外科自1998年4月~1999年5月大肠癌根治术切除的大肠组 织,共24例。其中男12例,女12例,年龄29~82岁(中位年龄53.5岁)。升结肠癌4例,横结 肠癌2例,降结肠癌3例,乙状结肠癌6例,直肠癌9例;高分化腺癌12例,高分化粘液腺癌1 例 ,中分化腺癌5例,中分化粘液腺癌1例,低分化腺癌2例,低分化粘液腺癌3例。癌标本取自 肉眼观坏死组织较少、粘膜尚完整的癌块组织;正常标本取自距癌块15cm以上的大肠切缘, 经病理切片证实无癌变。即癌组织样本数和正常组织样本数各为24例。所有大肠标本全层( 包括粘膜层、粘膜下层、肌层和浆膜层)锐刀切取,标本大小约3cm×3cm,离体30min内进行 荧光光谱测定。
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    1.2 主要仪器

    激光器:调Q式钛宝石激光器,由卫生部肝胆肠外科研究中心与中国科学院安徽光学精密机 械研究所联合研究生产;像增强CCD(ICCD)、光学多道分析仪控制器、光谱分析软件购自 美国Princeton Instrumen ts公司;石英光纤由卫生部肝胆肠外科研究中心和天津大学精密仪器与光电子工程学院联合研究生 产,为一同轴光纤,周边8根100μm芯、0.22NA荧光收集光纤,中心为单根200μm芯、 0.22NA激发光纤,激发光纤的终端为1mm直径的石英窗口(图1);计算机、多色仪、微型水泵、医用普通氮气。图1 探测端光纤的排列方式

    ●激发 ○接收

    1.3 激光诱导自体荧光检测系统

    如图2所示,激光器产生的370nm波长激光束经耦合器导入石英光纤,经光纤探测端照 射至肠粘膜面,光纤探测端的采集光纤收集激发出的自体荧光,并传输至多色仪,然后进 入ICCD。同时,由计算机控制的光学多道分析仪控制器采集由激光器电源提供的同步信号, 并传输给ICCD探头,ICCD探头的电子快门在激光器输出激光前100ms开启,曝光0.5s后,由 控制器结束积分过程,采集的信号经放大后送入计算机处理。图2 激光诱导自体荧光检测系统框架
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    1.4 荧光光谱测定方法

    光纤探头在垂直方向轻轻触及粘膜表面进行测定,收集400~700nm范围的荧光光谱,每一组 织块至少收集5条完整波段的光谱。采集光谱后,在采集部位作切片活检,由病理专科独立 作出病理报告。

    1.5 光谱分析方法

    分析自体荧光光谱的光谱特征,找出正常组织和癌组织各自的特征峰,测定和比较特征峰的 荧光强度,并绘出其自体荧光光谱曲线(400~700nm)。

    1.6 统计方法

    用统计软件SPSS 9.0进行t检验和F检验。

    2 结果

    2.1 正常组织和癌组织的自体荧光光谱特征
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    根据所采集的原始荧光光谱图,参照文献[6]光谱分析按15nm波长间隔取值并不影 响光谱的特征分析,在原始荧光光谱400~700nm范围,间隔15nm测量自体荧光强度,求出其 均值,再以均值描点,分别绘制大肠癌组织和正常组织的自体荧光光谱光滑曲线(图3)。图3 自体荧光光谱光滑曲线

    大肠正常组织的自体荧光光谱在波长为460nm附近有最大峰,相对强度为1193±101 ;在波长690nm附近处有一个小峰,相对强度为556±28。癌组织的自体荧光光谱双峰较明 显,在波长460nm附近有最大峰,相对强度为782±88,在波长690nm附近有一个突起的小峰 ,相对强度为618±29,见表1。

    表1 370nm激光诱导自体荧光光谱波峰相对强度比较(±s) 组别
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    n

    460nm最大峰值

    690nm小峰值

    正常组织

    24

    1193±101

    556±28

    癌组织

    24

    782±88

    618±29

    注:均P<0.001

    荧光强度存在差异:正常组织和癌组织的自体荧光光谱曲线在590nm处 交叉,40 0~590nm范围正常组织的荧光强度高于癌组织,590nm以后曲线较平坦;而癌组织在590nm后 随着小峰的出现,荧光强度增强,超过正常组织。
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    2.2 不同组织学类型大肠癌荧光强度比较

    按照临床常用的病理分型,本组研究病例包括有高、中、低分化腺癌和粘液腺癌,但由于粘 液腺癌病例数太少,达不到统计学所要求的数目,故将各粘液腺癌归入相应的腺癌,按高、 中、低分化腺癌进行荧光强度比较,见表2。

    表2 不同组织学类型大肠癌荧光强度比较(±s) 组别

    n

    460nm最大峰值

    P

    690nm小峰值

    P

, http://www.100md.com     高分化腺癌

    13

    812±101

    625±27

    中分化腺癌

    6

    743±42

    614±30

    低分化腺癌

    5

    750±76

    0.200

    604±36
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    0.407

    3 讨论

    激光诱导自体荧光诊断是采用特定波长的激光激发,原位检测大肠组织的自体荧光,经像增 强CCD对弱荧光信号倍增和初步处理后,分析荧光光谱特征以明确病变性质和浸润范围。自 体荧光的光谱特征取决于生物组织的生化组成和形态结构[7~10]。正常组织发 生癌变后,其生化环境和形态结构发生了质的变化,对应的自体荧光光谱特征也会发生质的 改变,因而可根据荧光光谱的特异性变化来区分正常组织和癌变组织。激光诱导自体荧光诊 断不会损伤正常细胞的生理功能,不会影响肿瘤组织的生理状态,是一种无侵袭的诊断技术 ,而 且自体荧光光谱数据可以通过计算机实时分析,在常规内镜检查过程中即可得到定性诊断, 即所谓“光学活检”(Optical biopsy),因而可望成为早期癌症诊断的一种有希望的方法。

    正常组织和肿瘤组织有各自的特异性自体荧光光谱特征,这种特异性差别可表现在荧光光谱 的形状、强度、峰值强度、不同峰值间的比值、峰值变化率等方面。我们的研究表明,大肠 正常组织和癌组织的自体荧光光谱特征主要表现在强度差异,400~590nm正常组织的荧光强 度高于癌组织,尤其是460nm左右最大峰和690nm左右小峰的荧光强度存在显著差异(P <0.001)。文献报告,大肠正常组织的荧光光谱与癌组织的差异主要表现在光谱强度上,正 常组织主峰的荧光强度是癌组织的1.5~10倍,而超过590nm时癌组织的光谱强度,高于正常 组织 [11~15]。Zeng等[1,6]的研究也表明,采用437nm的单色光激发 ,大肠原位癌和转移癌的荧光光谱强度降低,而红、绿荧光强度比增加。
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    自体荧光的光谱特征取决于组织的生化组成和形态结构。从组成生物体的分子水平看,生物 系统中主要是含有蛋白质、核酸、脂类、金属离子络合物等生物分子。在激光激发下,某些 生物分子被激发,由基态跃迁到激发态,处于激发态的分子通过各种转移机制,如由共振转 移、激子转移、隧道转移或电荷转移等将激发能转移给其他分子, 完成自身的能量驰豫过程,并返回到基态。而有的分子如胶原蛋白、黄素蛋白等,常常以辐 射荧光的形式完成能量驰豫过程[8,17,18]。因此,只要这类生物分子被激 发,就能观察到荧光。常见的生物机体内能辐射荧光的分子还有吡啶核苷酸(还原型)、吡哆 醛、维生素A、卟啉、甾族化合物等[17] 。我们的研究表明,大肠组织的自体荧 光主要位于细胞外基质的基底膜、间质和粘膜下层,正常腺上皮细胞和癌细胞的荧光强度很 弱[19]。Yang等[20]在对人工培养的癌细胞进行自体荧光光谱测量时 ,发现其光谱并不具备生物体内癌组织自体荧光光谱特征,即癌细胞的结构和组分的特异性 对组织自体荧光光谱没有贡献。由于大肠组织460nm附近的最大峰与还原型烟酰胺腺嘌呤核 苷酸、胶原蛋白的最大发射峰相似,以及肿瘤组织中还原型烟酰胺腺嘌呤核苷酸的含量低于 正常[4,21],大肠组织460nm附近的最大峰可能主要由该两种物质引起。由690 nm附近癌组织出现的特征峰,主要是由于癌组织能特异性地积聚血卟啉所致。我们过去的研 究表明,大肠癌组织能特异性积聚内源性血卟啉,血卟啉含量(ng/g组织)表现为:大肠癌组 织(39.01±14.49)>癌旁组织(29.16±9.78)>远癌组织(23.16±9.04)。因大肠癌组织的荧 光光谱在644.3±5.7nm处存在强度高于正常大肠组织的特异波峰与血卟啉荧光发散光谱相似 ,所以认为大肠癌组织在(644.3±5.7)nm处荧光光谱与血卟啉有关[22]
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    然而,系统所收集到的自体荧光信号并非某单一化合物的荧光光谱,而是组织中多种物质荧 光的重叠效应。同时,组织能吸收激发光和荧光物质所发射的荧光,减少观察到的荧光,即 所谓“滤网效应”[23]。最常见的是氧合血红蛋白HbO2对荧光的吸收作用, 此外还有血红蛋白Hb、碳氧血红蛋白HbCO等[15,21]。为了探索更普遍的自体 荧光光谱规律,我们正从以下两方面深入开展研究:从分子水平深入研究大肠组织荧光的来 源 和荧光分子的激发谱、发射谱特性;激光与荧光在大肠组织中传输的规律及其对光谱测量的 影响。

    国家“九五”重点科技攻 关项目(合同号 96-901-07-04)

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