腦膜瘤，作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)常見的腦腫瘤，發(fā)病率僅次于膠質(zhì)瘤，約占顱內(nèi)腫瘤的15%-20%。其中，血管型腦膜瘤是常見亞型，因其血管異常豐富，手術(shù)切除時極易出血，所以術(shù)前或術(shù)中明確診斷對制定手術(shù)方案和判斷預(yù)后意義重大。傳統(tǒng)的診斷技術(shù)存在諸多局限，而多光子技術(shù)的出現(xiàn)，為血管型腦膜瘤的診斷帶來了新希望，它能無標(biāo)記地研究腫瘤，可視化其微結(jié)構(gòu)，甚至自動定位血管和計算血管數(shù)量，有望成為臨床診斷的新技術(shù)。

研究背景與技術(shù)挑戰(zhàn)
腦膜瘤與血管型腦膜瘤
腦膜瘤起源于蛛網(wǎng)膜細(xì)胞及其衍生物，具有間葉性和上皮性特征，臨床上分為16個亞型。血管型腦膜瘤在治療時多采用手術(shù)療法，但因其血管豐富，手術(shù)中出血風(fēng)險高，精準(zhǔn)診斷對保障手術(shù)安全和患者預(yù)后至關(guān)重要。

技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用
技術(shù)創(chuàng)新原理
多光子（MPM）技術(shù)源于其獨特的基于非線性光學(xué)和飛秒激光相互作用的原理。當(dāng)物質(zhì)受到飛秒激光的照射時，在特定條件下，多個光子能夠同時被吸收，這種現(xiàn)象被稱為多光子吸收。與傳統(tǒng)的單光子激發(fā)相比，多光子激發(fā)需要更高的光子密度，而飛秒激光恰好具備超短脈沖和高峰值功率的特點，能夠滿足這一條件。

在生物組織中，不同的分子具有特定的吸收光譜。多光子技術(shù)利用這一特性，以血管型腦膜瘤為例，細(xì)胞內(nèi)的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）以及血管內(nèi)的彈力纖維等內(nèi)源性熒光團，在強激光的作用下會產(chǎn)生雙光子激發(fā)熒光（TPEF）信號。這是因為這些分子吸收兩個光子后，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)它們從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，就會發(fā)射出熒光。

同時，血管壁的膠原可以產(chǎn)生大量的二次諧波（SHG）信號。二次諧波產(chǎn)生的原理是基于介質(zhì)的非線性光學(xué)響應(yīng)，當(dāng)激光照射到具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的膠原分子時，會產(chǎn)生頻率為入射光兩倍的光輻射，即二次諧波。這種特性使得多光子技術(shù)能夠特異性地檢測到膠原的存在及其分布情況。由于多光子激發(fā)具有較高的空間分辨率，只有在激光焦點處的分子才能夠吸收足夠的光子發(fā)生激發(fā)，因此可以實現(xiàn)對組織微結(jié)構(gòu)的高分辨率成像，適合實時原位檢測人體組織微結(jié)構(gòu)的變化，為深入研究生物組織的微觀特征提供了有力工具。

研究應(yīng)用
研究人員首先利用多光子光譜技術(shù)，對血管型腦膜瘤組織的內(nèi)在成分進行分析。通過獲取腦膜瘤樣品的發(fā)射光譜，并結(jié)合基于Matlab語言的多峰擬合程序，能夠無標(biāo)記、定量定性地確定組織中不同內(nèi)源分子的成分和比例。例如，研究發(fā)現(xiàn)組織中FAD的占比最大，接下來依次是結(jié)構(gòu)蛋白、NADH、膠原和卟啉衍生物。

多光子顯微成像技術(shù)用于展示血管型腦膜瘤的微結(jié)構(gòu)。通過多通道成像模式，選擇特定的通道分別進行TPEF成像和SHG成像，從而實現(xiàn)TPEF/SHG復(fù)合成像。這種成像方式能夠清晰地呈現(xiàn)出血管型腦膜瘤組織中血管、細(xì)胞以及膠原纖維等結(jié)構(gòu)的分布和形態(tài)特征。與傳統(tǒng)的H&E染色技術(shù)相比，多光子技術(shù)在成像血管方面更具優(yōu)勢，能夠更清晰地展示血管壁的膠原纖維結(jié)構(gòu)。

研究還結(jié)合了圖像分析技術(shù)。通過對MPM圖像進行一系列處理，包括轉(zhuǎn)換顏色空間、圖像增強、去除噪聲、分割處理等步驟，能夠自動定位血管的位置并計算血管的數(shù)量。這一應(yīng)用為評估血管型腦膜瘤的血供情況提供了定量的數(shù)據(jù)支持，有助于醫(yī)生更全面地了解腫瘤的特征，進而制定更精準(zhǔn)的治療方案。

成像實驗與結(jié)果分析
實驗準(zhǔn)備
組織樣品：使用10個血管型腦膜瘤和3個正常硬膜組織樣品。樣品切除后分為兩部分，一部分新鮮樣品用于光譜成像，另一部分按常規(guī)病理流程處理，制作10μm厚切片，部分用于多光子多通道顯微成像，部分進行H&E染色對比。

成像方法：實驗采用多光子顯微成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備多通道成像和光譜成像兩種模式。

實驗結(jié)果
光譜分析：對腦膜瘤樣品光譜成像后，得到歸一化發(fā)射光譜，顯示5個較強峰值，分別對應(yīng)不同內(nèi)源成分。經(jīng)多峰擬合分析，確定組織中FAD占比最大，其次為結(jié)構(gòu)蛋白、NADH、膠原和卟啉衍生物，表明多光子技術(shù)可無標(biāo)記、定量定性分析腫瘤內(nèi)在成分。

顯微成像：正常硬膜和蛛網(wǎng)膜組織多光子顯微成像顯示，硬膜富含膠原纖維，在TPEF和SHG疊加圖像呈黃色；蛛網(wǎng)膜組織呈薄膜狀，SHG信號較弱，呈紅黃色。血管型腦膜瘤組織富含血管，血管和細(xì)胞形態(tài)特征在多光子成像下清晰可見，且血管壁膠原纖維顯示比H&E染色更清晰。

圖像分析：通過對MPM圖像一系列處理，可自動定位組織中的血管，計算并可視化顯示血管數(shù)量，為評估腫瘤血供提供數(shù)據(jù)支持。

總結(jié)與展望
目前，H&E快速冰凍切片技術(shù)是術(shù)中診斷血管型腦膜瘤的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但存在耗時久、可能損傷組織影響診斷準(zhǔn)確性的問題。MPM技術(shù)可提供實時病理學(xué)數(shù)據(jù)，提高診斷率，幫助醫(yī)生快速評估患者血供情況，制定更合適的手術(shù)方案和治療策略。隨著光纖技術(shù)和內(nèi)窺鏡技術(shù)發(fā)展，多光子技術(shù)有望進一步優(yōu)化，實現(xiàn)更便捷、更精準(zhǔn)的臨床診斷。未來，它可能成為臨床常規(guī)診斷手段，為更多血管型腦膜瘤患者帶來更安全、有效的治療，在腦腫瘤診斷和治療領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。

方娜, 吳贊藝, 王行富, 林元相, 陳建新. 多光子技術(shù)可視化血管型腦膜瘤[J]. 激光與光電子學(xué)進展, 2022, 59(6): 0617025. 

DOI:10. 3788/LOP202259. 0617025.