一种用于体外表征和分级脑膜瘤组织的无标记高光谱成像设备

《Journal of Biophotonics》：A Label-Free Hyperspectral Imaging Device for Ex Vivo Characterization and Grading of Meningioma Tissues

高光谱成像技术（HSI）通过非侵入式分析新鲜脑膜瘤活检组织的代谢活性和血管异质性，结合光谱解混量化血红素、细胞色素c氧化酶（CCO）及脂质含量，揭示其与2021 WHO分级高度一致的分子特征，为术中快速诊断提供新工具。

　　
本文聚焦于高光谱成像（HSI）技术在脑膜瘤术中快速诊断中的应用研究，通过自主研发的HyperProbe1.1系统，首次实现了对新鲜脑膜瘤样本的生化特征实时成像与分级分析。研究团队采用21例经手术切除的脑膜瘤样本，涵盖WHO分级1-3级，结合影像组学与病理学方法，验证了该技术对肿瘤恶性程度的分子表征能力。

### 研究背景与意义
脑膜瘤作为最常见的原发性颅内肿瘤，其病理分级直接影响术后治疗方案。传统病理学需经固定、脱水、石蜡包埋等流程耗时3-5个工作日，而术中诊断的延迟可能导致治疗决策偏差。研究显示，约38%的颅内肿瘤为脑膜瘤，其中WHO1级占80%，但术后复发率随分级升高显著增加（1级5%，2级25%，3级60%）。现有术中导航主要依赖解剖影像与经验判断，无法实时获取组织代谢状态。本研究通过开发便携式HSI系统，旨在建立术中即时诊断的分子标志物体系。

### 技术创新与系统特性
HP1.1系统采用宽带等离子光源（250-2500nm）配合可调窄带滤光模块，实现单次曝光下全光谱成像。其核心创新在于：
1. **宽场成像技术**：0.65cm2视场覆盖内（FOV），较传统点阵式设备提升12倍成像效率
2. **动态波长调节**：5nm间隔连续调谐，配合科学CMOS相机（2048×2048分辨率，40fps帧率）实现每秒200个像素的实时成像
3. **双通道数据采集**：同步记录样本反射光谱（400-1100nm）与白参考/暗场校正数据，消除环境光干扰
4. **分子组学分析**：通过改进的比尔-朗伯定律，解耦血红蛋白氧化态（HbO2/Hb）浓度、细胞色素c氧化酶活性（CCO）及脂质分布等8种生化参数

### 实验设计与样本特征
研究纳入2024-2025年间手术切除的21例脑膜瘤（男8/女13，平均60.3岁），其中：
- WHO1级14例（占66.7%）：包括过渡型（8例）、分泌型（1例）等亚型
- WHO2级6例（占28.6%）：以非典型型（4例）和脉络型（2例）为主
- WHO3级1例（占4.7%）：为罕见的未分化型

样本来源经伦理委员会审批（编号23672-23672_BIO），采用术中新鲜样本（术后1小时内）进行活体成像验证，确保组织代谢活性未被破坏。

### 关键发现与生物学意义
1. **血管氧代谢图谱**：
- 通过470nm（HbO2强吸收）与530nm（等吸点）比值计算氧饱和度，发现WHO3级样本氧饱和度标准差达±18.7%，显著高于1级样本（±5.2%）的P<0.05
- DiffCCO（氧化酶与还原酶浓度差）呈现显著分级差异：1级均值2.3±0.5 μM/cm3，2级2.8±0.7，3级3.9±1.2（P=0.003）

2. **脂质代谢特征**：
- WHO3级样本平均脂质含量达68.4%（SD±12.3），较1级（42.1±8.7）提升61.8%
- 脂质富集区域与病理学观察的坏死灶高度吻合（r=0.79，P=0.001）

3. **血红蛋白动力学**：
- DiffHb（氧合血红蛋白差值）在WHO2-3级间呈剂量效应关系（1级1.2±0.3 vs 2级1.8±0.5 vs 3级2.4±0.7）
- 血管空间异质性指数（VHI）计算显示3级样本VHI值（3.2±0.9）是1级的2.1倍

### 技术优势与临床转化
相较于传统方法，HP1.1系统具有以下突破性优势：
1. **时间效率**：单次成像耗时3.2秒（含白参考校正），较传统病理流程缩短72小时
2. **空间分辨率**：亚500μm像素间距（等效显微镜400倍放大），可识别肿瘤边缘微结构
3. **多参数同步检测**：同时获取8类生化指标，包括：
- 血红蛋白氧合状态（ΔHbO2）
- 脂质代谢活性（脂质指数LI）
- 细胞色素c氧化酶活性（DiffCCO）
- 血管密度（VHI）
- 纤维化程度（通过胶原蛋白I谱线强度间接评估）

4. **边缘检测精度**：与HE染色相比，HSI对坏死区域的识别灵敏度提高40%（AUC=0.92 vs 0.66）

### 机制解析与病理关联
研究揭示了脑膜瘤恶性程度与生化参数的内在关联：
- **WHO1级**：典型特征为"高氧代谢+低脂质"模式（O2 sat 85%±3%，LI 42.1±8.7）
- **WHO2级**：出现"代谢中间态"（O2 sat 72%±5%，LI 58.3±12.4）
- **WHO3级**：呈现"高脂质+低氧代谢"特征（O2 sat 62%±8.1，LI 68.4±12.3）

该发现与病理学特征形成对应：
1. **细胞异型性**：CCO活性与核分裂象计数呈正相关（r=0.71）
2. **血管重构**：VHI值与肿瘤侵袭性评分（GIS）呈显著正相关（R2=0.68）
3. **脂质沉积**：LI值与坏死区域面积呈负相关（P=0.017）

### 临床转化前景
研究团队已建立术中即时诊断工作流：
1. **术中样本处理**：使用生理盐水冲洗后立即进行成像（操作时间<5分钟）
2. **多模态融合**：通过RGB合成图像实现与MRI解剖结构的自动配准（配准误差<0.3mm）
3. **决策支持系统**：开发基于HSI特征的实时分级算法，在术中提供：
- 肿瘤恶性程度分级（准确率91.3%）
- 边缘区界定（灵敏度92.4%）
- 疗效预测模型（C-index=0.83）

### 局限与改进方向
当前研究存在以下局限：
1. 样本量限制（尤其WHO3级仅1例）
2. 未建立活体成像验证体系
3. 需要开发标准化操作流程（SOP）文件

改进计划包括：
- 建立多中心队列（目标样本量≥50例）
- 开发可穿戴式手持设备（FOV扩展至1.5cm2）
- 构建三维代谢特征模型（结合多切片成像）

该技术已通过欧盟Horizon Europe项目资助（编号101071040），计划在2026年前完成原型机临床验证。随着人工智能算法（如生成对抗网络GAN）在光谱解混中的应用，未来有望实现：
- 活体肿瘤微环境动态监测
- 术中实时病理分级
- 个体化治疗方案推荐

本研究为神经外科领域提供了新的技术范式，将改变"术后确诊-术中决策-术后再评估"的传统流程，建立"术中成像-即时分级-精准手术"的新型诊疗模式，预计可缩短治疗决策时间从72小时压缩至3分钟，显著提升手术安全性。