在医学诊断领域,如何实现对生物组织的高分辨率、无创实时成像始终是科学家们追求的目标。传统病理学依赖组织切片与染色技术,不仅耗时且存在取样误差,难以满足临床对早期病变精准诊断的需求。多光子显微技术(MPM)的诞生,为这一难题提供了革命性解决方案。MPM基于飞秒激光与生物组织内源性成分的非线性光学效应,通过探测双光子激发荧光(TPEF)和二次谐波(SHG)信号,可实现组织的三维、无标记成像。
近年来,MPM在消化道肿瘤、皮肤疾病及角膜病变诊断中展现出独特价值。例如,通过量化胶原纤维排列紊乱程度和细胞代谢活性,MPM能有效区分正常组织、癌前病变与浸润性肿瘤。本文将从技术原理、应用突破及临床转化挑战等多维度,系统解析MPM如何重塑现代医学诊断的边界。
研究背景与技术挑战
传统诊断技术的局限性
组织病理学作为疾病诊断的“金标准”,依赖活检样本的固定、切片与染色处理,流程繁琐且无法实时监测动态病变。共聚焦显微技术虽能实现活体成像,但受限于单光子激发机制,存在成像深度浅、光损伤大等问题,难以应用于皮肤真皮层或消化道黏膜下层的深层病变检测。
技术创新与应用
消化道肿瘤的精准分层诊断
MPM在胃肠肿瘤诊断中的核心价值在于实现原位病理可视化。通过分析隐窝结构形态、基底膜完整性及细胞氧化还原比,MPM可清晰区分正常黏膜、非浸润性瘤变与浸润性癌灶。正常结肠黏膜的隐窝呈规则蜂窝状排列,基底膜连续完整,氧化还原比均值为1.82;非浸润性瘤变的隐窝扭曲拉长,基底膜管状扩张,氧化还原比升至2.57;浸润性癌灶的隐窝结构完全破坏,基底膜断裂消失,氧化还原比进一步升高至3.26。这种基于内源性标志物的定量分层,为内镜下实时判断肿瘤进展提供了新范式。
皮肤光老化的无创定量评估
MPM通过双通道信号构建皮肤老化指数,可无创量化真皮层胶原-弹性纤维比例。年轻皮肤的胶原纤维致密,老化指数值接近+0.5;光老化皮肤的弹性纤维增生取代胶原,指数值降至-0.93。该技术还可识别基底细胞癌的边界:癌灶区二次谐波信号缺失,双光子荧光显示密集的肿瘤细胞团,与周围正常真皮形成鲜明对比。
角膜病变的微结构解析
作为首个实现全角膜成像的技术,MPM突破角膜透明性对传统显微成像的限制。在感染性角膜炎模型中,二次谐波信号揭示胶原纤维破坏程度,双光子荧光直接显示病原体形态;在圆锥角膜中,成像技术捕捉胶原层异常重组,角膜细胞沿紊乱纤维呈纺锤状排列;对于屈光术后瘢痕,该技术可动态监测角膜混浊的形成与药物干预效果。
成像实验与结果分析
消化道肿瘤的形态-功能双模态成像
通过对离体食管、胃及结肠样本的成像研究,发现癌变组织的二次谐波信号强度较正常组织下降40%-60%,反映胶原降解;而双光子荧光信号在癌灶边缘增强2-3倍,提示代谢活跃的肿瘤细胞增殖。纵向剖面成像显示,浸润性癌灶的基底膜呈虫蚀样断裂,与病理切片结果高度吻合。
角膜病理的层析成像验证
在感染性角膜炎模型中,成像深度达角膜全层,二次谐波信号缺失区域与临床诊断的溃疡范围一致。对圆锥角膜的前向与背向信号对比发现,前向模式更易识别纤维走向紊乱,而背向模式更适合临床原位检查。
总结与展望
多光子显微技术凭借其无创、高分辨、多模态成像的优势,正在重塑疾病诊断的技术范式。在消化道肿瘤领域,该技术通过量化隐窝结构异变、基底膜完整性及细胞代谢活性,为早期癌变筛查提供了超越传统病理的敏感指标;在皮肤科学中,老化指数实现了光老化的客观分级与皮肤癌的边界界定;在眼科领域,该技术首次实现全角膜胶原网络的可视化,为感染性角膜炎与屈光术后并发症的精准管理奠定基础。随着固态飞秒激光器与人工智能技术的融合,该技术有望成为手术导航、病理活检定位的实时决策工具,推动医学诊断从组织切片时代迈向活体成像时代。
论文信息
声明:本文仅用作学术目的。
林宏心, 左宁, 卓双木, 陈建新. 多光子显微技术在医学诊断中的应用[J]. 中国激光, 2018, 45(2): 0207014.
DOI:10.3788/CJL201845.0207014.