探头式共聚焦激光显微内镜的临床研究及应用进展

摘要

探头式共聚焦激光显微内镜(probe based confocal laser endomicroscopy, pCLE)是一种将显微成像技术整合于内镜检查的新型内镜诊断方法, 可以观察特定组织表面形态学结构, 在进行的内镜检查同时作出体内组织学诊断, 使内镜具有了"光学活检"的功能, 提高了内镜诊断准确性和效率. 作为一种新型的内镜成像技术, 其研究领域不断扩大, 不仅在最初的消化系统腔体结构, 目前也有报道在呼吸系统、泌尿系统中亦有重要应用价值. 本文对pCLE的研究进展和临床应用做一综述.

关键词: 探头式共聚焦激光显微内镜; 研究进展; 临床应用

核心提示: 传统的白光内镜可以观察到肉眼下的病变, 对于不能诊断的病灶需要活检在显微镜下从细胞层面确定病变的性质, 探头式共聚焦激光显微内镜是一种将显微成像技术整合于内镜检查的新型内镜诊断方法, 通过提供放大1000倍的图像使正在进行的内镜检查同时做出组织学诊断, 使内镜具有"光学活检"的功能, 提高了内镜诊断准确性和效率.

Progress of research and clinical application of probe-based confocal laser endomicroscopy

Hai-Bo Ma, Li-Jun Cai, Yi-Hong Fan

Hai-Bo Ma, Li-Jun Cai, Yi-Hong Fan, the Fist Affiliated Hospital of Zhejiang Chinese Medical University, Hangzhou 310053, Zhejiang Province, China

Li-Jun Cai, Department of Gastroenterology, Zhejiang Provincial Hospital of Tradition Chinese Medicine, Hangzhou 310006, Zhejiang Province, China

Supported by: Zhejiang Provincial Medical and Health Science and Technology Plan, No. 2014KYA154; Zhejiang Provincial Public Welfare Technology Application Research Project, No. 2015C33207; Zhejiang Provincial Medical and Health Platform Program Funded Projects, No. 2015RCB017.

Correspondence to: Li-Jun Cai, Attending Physician, Department of Gastroenterology, Zhejiang Provincial Hospital of Tradition Chinese Medicine, Youdian Road, Shangcheng District, Hangzhou 310006, Zhejiang Province, China. dargoncai@126.com

Received: October 17, 2015
Revised: November 19, 2015
Accepted: November 30, 2015
Published online: January 8, 2016

Abstract

Probe based confocal laser endomicroscopy (pCLE) is a new endoscopic diagnostic method which integrates micro-imaging technology into endoscopy and can identify the morphological structure of particular tissue surface, so that the ongoing procedure of endoscopy can make the histopathological diagnosis. pCLE has the "optical biopsy" function, avoids shortcomings in physical biopsies such as being time-consuming, cumbersome, and prone to sampling error, and thus improves the diagnostic accuracy and efficiency. The field of research of pCLE as a new endoscopic imaging technology has been expanded from the digestive cavity structure to the respiratory system and urinary system. This article reviews the progress of research and clinical application of pCLE.

Key Words: Probe based confocal laser endomicroscopy; Research progress; Clinical application

0 引言

激光共聚焦显微内镜(confocal laser endomicroscopy, CLE)是一种将显微成像技术整合于内镜检查的新型诊疗技术, 分为两个系统, 一个是宾得(Pentax)公司基于内窥镜的e-CLE(endoscope-based CLE)或整合式CLE(endoscope-integrated CLE), 一个是法国莫纳克亚科技有限公司(MKT)基于探针的探头式共聚焦激光显微内镜(probe based confocal laser endomicroscopy, pCLE)[1]. CLE使正在进行的内镜检查具有"光学活检"的功能, 操作时共聚焦图像可与内镜图像同时生成, 其通过低功率的激光获取共聚焦图像, 对组织的特定区域和层面进行扫描, 通过一个针孔集中发射荧光, 然后荧光通过光检测器检测, 并在计算机系统中转换成电图像. pCLE拓展了eCLE应用范围及领域, 可以应用于类似于胆道的管腔结构以及在细针穿刺(needle-based)的基础上探查管腔外的组织结构[2], 研究领域已由腔体结构(食管、胃、结肠)扩大到导管结构(胆管、胰管), 呼吸系统(肺、支气管)、泌尿系统及人造腔道的needle-based或经自然腔道内镜手术(natural orifice translumenal endoscopic surgery, NOTES)的靶向组织或器官(如胰腺、淋巴结)等的探查, 本文现主要对pCLE的临床应用及其研究进展综述如下.

1 食管和胃疾病

1.1 Barrett食管

Barrett食管(Barrett's esophagus, BE)为食管癌癌前病变, Pohl等[3]概括了BE在CLE下主要表现: (1)上皮细胞排列不规则; (2)上皮层多样化增厚; (3)腺体融合; (4)由于荧光素吸收减少导致的暗区域; (5)不规则的血管变化. 认为满足其中任意两个及以上条件即可诊断为BE. 两组人员分别使用该诊断标准的敏感性、特异性分别为75.0%、88.8%和75.0%、91.0%. 迈阿密分类系统[4]提出绒毛状结构、暗黑色增厚的上皮以及不规则扩张的血管提示BE伴高级别瘤变(图1A)[5], 此外, 食管腺瘤的特点是紊乱或者是完全消失的绒毛结构和隐窝, 灰暗的柱状细胞以及不规则扩张的血管(图1B)[5].

图1 探头式共聚焦激光显微内镜图像(×1000)[5]. A: 高级别瘤变: 绒毛状结构、暗黑色增厚的上皮层以及不规则扩张的血管; B: 腺癌紊乱甚至完全消失的绒毛结构和隐窝, 灰暗的柱状细胞以及不规则扩张的血管; C: 正常胃底腺细胞, 圆形且形状规则的隐窝, 鹅卵石样的腺体结构; D: 异型增生, 不规则的腺体内腔, 黑色的不规则增厚的上皮细胞; E: 腺癌, 排列紊乱的上皮细胞, 荧光素渗出, 黑色形态不规则的上皮细胞.

Johnson等[6]在一项研究中使用pCLE和白光内镜(white light endoscopy, WLE)联合应用于肿瘤切除部位周围的检查, 以明确是否有肠化生、不良增生和癌细胞残留的存在. 研究表明了pCLE能够实时监测不良增生, 能够为不良增生的靶向治疗标出病变区域. di Pietro等[7]的研究中发现pCLE用于BE人群中检出高级别瘤变/黏膜内癌的敏感性和特异性分别为100.0%和53.6%, NBI+放大的特异性为74.1%, 但敏感性只有57.1%, 此外, Canto等[8]发现在BE的诊断中, pCLE和高分辨内镜(high-definition WLE, HD-WLE)联合应用的诊断率是单纯物理活检的3倍, 在食管肿瘤检查中其敏感性达96%, 能够实时监测不良增生和为不良增生的靶向治疗标出病变区域. 在另一个pCLE与双焦点窄带成像的对比研究中前者也显示了更高的特异性以及准确性[9]. Gaddam等[10]回顾了50例pCLE的BE诊断录像, 总结了BE的诊断标准: 锯齿状的黏膜上皮, 上皮细胞多形性增大, 腺体大小不一, 间距不等, 杯状细胞不易被识别. 高利军等[11]发现共聚焦激光显微内镜对食管低级别上皮内瘤变诊断的敏感性、特异性、阳性预测值、阴性预测值和准确率分别为75.0%、88.6%、70.6%、90.7%和85.0%. 对食管高级别上皮内瘤变诊断的敏感性、特异型、阳性预测值、阴性预测值和准确率分别是85.7%、92.3%、85.7%、92.3%和90.0%.

1.2 胃十二指肠疾病

pCLE在胃十二指肠疾病中应用研究较少. 不过迈阿密分类系统列举了胃的几种生理病理状态在pCLE图像的特点(图1C-E)[5]. 王淑芳[12]提出胃癌CLE表现为: 分化型胃癌: 正常的胃小凹结构消失, 出现大小不同、形态各异的异型小凹腺体; 可见异型肿瘤细胞; 微血管网增多, 走形迂曲. 在一例前瞻性研究中, Zhang等[13]对132例患者的胃小凹模式进行了研究发现, eCLE对胃黏膜萎缩和胃瘤的诊断率为97.5%和97.1%. Guo等[14]研究了25例患者模型, 在使用CLE诊断肠化生时, 其敏感性和特异性是98.13%和95.33%, 对照组的WLE的敏感性和特异性却只有36.88%和91.59%. 在一项包含27例早期胃癌患者的研究中, CLE诊断胃恶性肿瘤的准确性达到了94%-96%[15]. 在十二指肠息肉的诊断中, pCLE比NBI检查表现了出更高的敏感性(92% vs 83%)[16]. 何振等[17]的研究中发现CLE诊断胃癌的敏感性、特异性和准确性为97.2%、100%和98.1%.

与其他常用的成像技术相比, Lim等[18]发现pCLE和WLE的敏感性、特异性和准确性分别为88.6%、90.3%、89.3%和27.3%、96.8%、56.0%. pCLE在腺瘤的诊断中显示了比传统活检更高的准确性(91.7% vs 85.2%)[19]. 有研究者以组织病理学检查为金标准对比了窄带成像(narrow band imaging, NBI), 自体荧光(autofluorescence imaging, AFI), pCLE和WLE四种成像技术在胃黏膜肠化生的诊断差异[18]. 结果实时pCLE比WLE有更高的敏感性(90.9% vs 37.9%)和准确性(88.0% vs 64.8%), 和AFI相比, 其有更高的敏感性(90.0% vs 68.2%)、特异性(84.7% vs 69.5%)和准确性(88.0% vs 68.8%), 和NBI相比, pCLE在这三个指标上与其相似.

2 肠道疾病

2.1 肠道息肉

传统的内镜检查不能有效的区别腺瘤性质和非腺瘤性质的大肠息肉, 通常直接进行组织病理学诊断, 因此潜在的并发症常常被忽视. 超过1/2的结肠息肉是良性增生, 且直径<10 mm时其恶化的可能性很低[20], 所以切除正确息肉是非常重要的. pCLE能有效区分良性与恶性的增生, 正常结肠: 圆形的肠隐窝结构, 黑色的杯状细胞, 隐窝周围规则并且有细小的血管[4]; 良性增生息肉: 星形腔内隐窝开口, 隐窝和病变部位因周围的上皮细胞规则分布, 正常分布的杯状细胞, 迂回的腺体数量增加了一倍; 腺瘤性息肉: "管状"绒毛状结构, 增厚的黏膜上皮, 暗细胞, 扭曲或拉长的隐窝; 腺癌的图像特点更缺乏规律性: 结构杂乱无章, 组织结构缺失.

De Palma等[21]研究了32例直径1-9 mm的大肠息肉样本, 发现pCLE诊断阴性预测值(negative predictive value, NPV)和敏感性达100%, 特异性为85%, 腺瘤的阳性预测值(positive predictive value, PPV)为91%, pCLE和色素内镜检查在区别肿瘤性和非肿瘤性的息肉的敏感性分别为91%和77%, 特异性相似为76%和72%. 虽然有研究[22]表明NBI及放大色素内镜在鉴别肠道病变方面比pCLE具有更高的应用价值, 但是也有研究[23]证实pCLE具有更高的敏感性(86% vs 64%, P = 0.008), 但特异性较低(78% vs 92%, P = 0.027), 且二者联合应用时的准确性接近组织病理学检查. 在另一项Buchner等[24]的研究中, pCLE和传统的色素内镜检查作对比, 用于鉴别肿瘤性和非肿瘤性的息肉, 结果pCLE和色素内镜检查的敏感性分别为91%和77%特异性相似(76% vs 72%).

2.2 炎症性肠病

溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)和克罗恩病(Crohn's disease, CD)是常见并且有发生消化系肿瘤的风险的两例炎症性肠病(inflammatory bowel diseases, IBD). 传统内镜在区别异型增生性肿块(dysplasia-associated lesional mass, DALM)和腺瘤样肿块时可靠性不是很理想[25]. 对于病程久的IBD患者, 在目标活检已经被证实对可以提高肿瘤的检出率[26,27]. 在内镜监视同时行pCLE检查所得到的结果已经被证实和组织病理学检查的结果具有很高的一致性[28]. Kiesslich等[29]在一项随机性研究中联合运用了色素内镜检查和CLE, 结果二者结合不仅能发现更多不容易发现的肿瘤性病灶而且活检次数下降了一半. De Palma等[30]发现pCLE能即时准确的判断肿物的性质, 从而可以尽早行内镜下切除以避免不必要的外科手术切除治疗. 虽然没有1例统一的用于IBD诊断的CLE图像标准, 但是上述作者大多参考了Kiesslich等[29]2005年提出的一项标准, 其中活动性IBD的特点包括: 隐窝形状、大小不一和分布不均匀, 隐窝间距增大, 病灶区隐窝结构不完整, 毛细血管扩张紊乱, 炎性细胞浸润. 此外, 肿瘤特点为: 上皮层不规则线状隆起, 隐窝和杯状细胞消失, 毛细血管扩张、紊乱, 渗出增多.

2.3 结肠直肠癌

结肠直肠癌是人类最常见的恶性肿瘤之一, 在男性和女性中分别排在第3位、第2位[31]. 由于结肠直肠癌的致死率高, 所以早期诊断很重要. Mascolo等[32]以病理组织学检查为基础, 采用pCLE判定变异隐窝病灶(aberrant crypt foci, ACF)性质, 发现pCLE在正常组织及腺癌诊断准确性100%, ACF准确率78%(7/9), 其中2例为微小腺瘤, 腺瘤准确率为80%(4/5), 其中1例为增生性息肉.

Gómez等[33]使用pCLE诊断进展期的腺瘤, 敏感性、NPV、特异性分别为43%、89%、71%, 不过PPV很低为19%. De Palma等[21]对pCLE在32例结直肠肿瘤(腺瘤19例, 增生性息11例, 腺癌2例)的诊断价值进行研究, 发现pCLE的敏感性、特异性、准确性分别为100.0%、84.6%、92.3%. 当图像质量清晰时, 肿瘤分类的观察者间一致性很高(kappa = 0.83), 敏感性、特异性、准确性分别为88.0%、89.0%、88.0%[34].

3 胆胰疾病

3.1 胰胆管良恶性狭窄

准确的诊断和分类对于胰胆管癌的预后非常重要, 尽管有现今的成像技术和组织抽样等方法, 但结果仍然不理想, 敏感性只有54%-71%[35]. 胆管癌的典型表现是胆管狭窄, 在怀疑有肝门外胆管癌的患者中有13%-24%是良性疾病[36,37]. pCLE可以应用于经内镜逆行性胰胆管造影术(endoscopic retrograde cholangio-pancreatography, ERCP)以生成显微镜图像[38], 在不影响胆汁和残留物的前提下分析组织表面下的情况, 这是目前唯一能用于实时分类不确定性胰胆管狭窄的显微内镜技术, 在ERCP过程中, 探针被小型化以至于能放在胆管镜的工作通道或者导管中, 通过提供实时的胆管上皮细胞图像, 克服目前诊断方法的某些局限. 在一项对14例具有胆道结构异常的患者的实验性应用研究结果显示, 其敏感性、特异性、准确性分别为83%、88%和86%[39], 对胆管狭窄的敏感性和特异性, PPV达到了100.0%、61.1%, NPV达到了22.2%、100.0%[40].

Meining等[41]通过前瞻性多中心的研究中验证了pCLE在胰胆管狭窄性质诊断方面具有很高的应用价值, 在迈阿密分类法的基础上提出了进一步的分类方法[42]: 宽度>20 μm的白色条纹, 宽度>40 μm的黑色条纹, 黑色的块状结构和上皮细胞等诊断胆管恶性狭窄的条件, 满足这些条件时, PPV的敏感性和特异性达到了97%、33%, NPV的敏感性和特异性达到了80%、80%, 这些特点为胆管恶性狭窄的特征性CLE表现[40].

3.2 胰腺实质性疾病

胰腺癌在美国是第四大癌症死亡原因, 其致死率高的主要原因是不能及早发现而影响预后[43]. 基于细针穿刺的共聚焦激光显微内镜(needle-based confocal laser endomicroscopyn, nCLE)的基本原理和pCLE相似, 其工作原理是在内镜针的内部嵌入一个微小探针, 对消化系或者呼吸道器官内部以及邻近器官进行成像. Konda等[44]证实了nCLE在胰腺囊性肿瘤的诊断中具有很高的应用价值, 研究把上皮绒毛状结构作为诊断胰腺囊性肿瘤的重要依据, PPV的敏感性和特异性达到了59%、100%, NPV的敏感性和特异性达到了100%、50%, 并发症概率为9%(1例轻度胰腺炎, 1例为中度). 不过, nCLE在胰腺实质性疾病的诊断价值以及可能的并发症等都要进一步研究[2].

4 泌尿系统

pCLE在泌尿系统中也有相应的研究, 特别是在肿瘤的早期发现方面. 到目前直径2.6 mm和1.4 mm的pCLE-探头已经被应用, 且证实2.6 mm的探头更适合泌尿道的探查[45]. Wu等[46]证实了pCLE设备以及荧光标记在泌尿系统中应用的安全性. 研究用pCLE获得的泌尿道共聚焦图像与病理学分析做对比, 选择了具有诊断价值的代表性共聚焦图像, 总结出了泌尿系统各器官(肾脏、输尿管、前列腺、膀胱、尿道)的pCLE下图像特点: 正常膀胱上皮的特点: 多边的伞状细胞层比中间细胞层要小, 毛细血管网的固有层有红细胞; 低分化泌尿道上皮癌: 密集分布的泌尿上皮细胞, 具有均匀的单形性细胞乳突状结构和维管茎; 炎症: 在固有层小的单型性细胞松散集合分布, 可以发现炎症细胞. 而原位癌不易诊断, 因为其很难和良性组织区别, 和炎症性细胞相比, 原位癌呈现了很多的高度异型性细胞.

5 呼吸系统

呼吸系统中, pCLE可以用来获得肺脏图像, Yserbyt等[47]在组织病理学的基础上, 研究了呼吸道疾病时pCLE的图像特点. 正常支气管黏膜: 纵向分布的弹性纤维和支气管腺体的开口; 气管隆突: 弹性纤维部分消失, 具有强烈的自体荧光性的直径为20 μm的圆形不透明区域. 此外, pCLE可以观察到非小细胞肺癌的包括弹性蛋白在内的组织学改变[48]. 不过, 到目前为止, 纤维内镜在呼吸系统疾病的相关研究报道仍然不足, 仅有一些简要的描述性报道, 例如小样本案例研究[49].

6 结论

激光共聚焦显微内镜能够提供关键并且准确的实时诊断信息, 能够使医生正在进行的内镜检查中作出体内组织学诊断, 使进一步改良消化道疾病、呼吸系统疾病以及泌尿系统疾病的诊断和治疗成为可能. 临床试验已经证明了这种新型技术的应用价值, 特别是在消化道疾病的诊治中的价值, 比如胰胆管疾病. 但仍有缺点需改进, 比如图像分辨率、扫描深度、安全性等技术方面, 此外, 随着新的荧光对比剂的应用其在靶向诊断、指导活检及治疗中还具有更广泛的应用前景.

评价

背景资料

消化系肿瘤的发病率及死亡率高居不下, 其预后与诊疗时机密切相关, 进展期胃癌即使接受了以外科为主的综合治疗, 患者生存期及生活质量仍较低. 《中国癌症预防与控制规划摘要(2004-2010)》明确指出, 癌症的早期发现、早期诊断及早期治疗是降低死亡率及提高生存率的主要策略. 传统的白光内镜、超声内镜、NBI+放大色素内镜等尚不能可靠的提高早期癌症的检出率.

同行评议者

张志宏, 副主任医师, 四川省人民医院消化内科

研发前沿

作为一种新型的内镜成像技术, 其研究领域不断扩大, 不仅在最初的消化系统腔体结构, 目前也有报道在呼吸系统、泌尿系统中亦有重要应用价值. 本文对探头式共聚焦激光显微内镜(probe based confocal laser endomicroscopy, pCLE)的研究进展和临床应用做一综述. 临床试验已经证明了这种新型技术的应用价值, 特别是在消化道疾病的诊治中的价值. 但是还有一些缺点仍需改进, 比如图像分辨率、扫描深度、安全性等技术方面以及在很多临床诊断中特别是胰腺疾病的诊断中还需要进一步完善.

相关报道

近几年国内外有研究显示激光共聚焦显微内镜对Barrett食管相关的瘤变, 胃黏膜肠上皮化生、上皮内瘤变和胃癌具有较高的诊断价值. 但目前仍处于起步阶段, 国内也仅有几家大型综合型医院在进行该技术的研究.

创新盘点

本文在较广的范围内综述了近年国内外共聚焦激光显微内镜的临床研究进展及应用, 不仅仅在传统的消化道疾病领域, 在最新的泌尿系统及呼吸系统都有所涉及.

同行评价

该文章对pCLE在各系统疾病中的应用做了一定的叙述, 涵盖面较广, 作为一种新的内镜技术应用, 其文章内容较为重要新颖.

备注

编辑:于明茜 电编: 都珍珍

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