近红外光谱活体在位测量C6荷瘤鼠脑局部血氧饱和度

作者：李宽正,杨天明,钱志余,戴丽娟,李荣，王杭州，张亮    作者单位：210009 东南大学附属中大医院神经外科

【摘要】  目的 探讨新的近红外光谱技术来测量C6 胶质瘤荷瘤鼠脑局部血氧饱和度（SO2）的特点。方法 利用光学探头微创测量30只C6 荷瘤鼠瘤体局部SO2，并与对侧脑组织SO2进行比较。结果 瘤体内SO2较正常脑组织SO2低，两者差异有统计学意义（P<0.05）；有坏死或出血个体SO2曲线出现明显低峰。结论 通过微创光学探头可以测量胶质瘤内SO2。

【关键词】  C6脑胶质瘤; 血氧饱和度 (SO2); 近红外光谱 (NIRS)

    In vivo measurement of local cerebral saturation of oxgen in  C6 glioma loaded rats by near infrared spectroscopy  LI Kuanzheng,YANG Tianming,QIAN Zhiyu,et al.Department of Neurosurgery, the Affiliated Zhongda Hospital of Southeast University, Nanjing 210009, China

    Abstract:Objective  To measure local cerebral  blood oxygen   saturation in  C6 glioma  rats in vivo by new near infrared spectroscopy (NIRS). Methods  30 C6 gliomabearing rats were measured miniinvasively by a optic  fiber  probe revealing SO2. Intratumoural SO2 (tSO2) was  compared to normal cerebral tissue SO2. Results  The mean SO2 of intratumoural tissue was（55.1±4.7）%,and the mean SO2 of normal tissue was  （60.7±2.5）% in contralateral cerebral tissue, respectively. The difference is significant. Conclusions  Measurement of glioma in vivo by NIRS is feasible.

    Key words:C6 glioma;saturation of blood oxygen (SO2);near infrared spectrometer (NIRS)

　  虽然神经系统肿瘤的治疗有长足的进展，但胶质瘤的预后仍很差。胶质瘤瘤体的血管生成［1］和能量代谢［2］是肿瘤生长和扩张的重要因素。能反映瘤体能量代谢和血供情况的SO2的研究已开展多年［3］。本文利用一个新的近红外光谱系统(NIRS)，将光学探头直接刺入瘤体中或对侧大脑中分别测量组织局部SO2,这个新型的光学探头是将光源光纤和接受光纤整合进一个针样探头中。

    1  资料和方法

    1.1  细胞和动物  细胞株为大鼠C6脑胶质瘤细胞，培养于5% CO2气体浓度37℃培养箱，培养液为10%小牛血清的RPMI 1 640液。于细胞指数生长期，胰酶消化并收集细胞，制成105 个/μl细胞悬液以供种植肿瘤（悬液不含血清）。接种动物为成年SD (Sprague Dawley) 大鼠35只， 体重250 g (230～280 g)，雌雄不限 。

    1.2  肿瘤接种  所有大鼠术前禁食禁水，麻醉前30 min肌肉注射阿托品0.05 mg抑制呼吸道分泌，并在实验的过程中每 h肌肉注射阿托品0.05 mg维持。腹腔注射戊巴比妥（40 ml·kg-1）进行麻醉，体温控制在37.5 ℃。麻醉后将大鼠固定于江湾Ⅰ型立体定位仪上，暴露前囟，以前囟为原点，向后1.5 mm，向右旁开3.0 mm，用牙科磨钻打一直径1 mm小孔（A点）。微量进样针将10 μl细胞悬液缓慢注入硬脑膜下5 mm（进6 mm，退1 mm）处的脑组织中，停针5 min后退针，骨蜡封闭骨孔，清洗切口后缝合。常规饲养18 d，随机处死5只大鼠，观察成瘤情况。

    1.3  MRI成像  将大鼠常规剂量戊巴比妥麻醉后，行1.5T磁场强度的MRI及增强检查。

    1.4  近红外光谱技术  新探头外径为0.8 mm，内含直径为200 μm 光纤两根［4,5］，其中一根将5 W 卤素光源的光输入组织中，另一根收集经组织散射的光子并传输到光纤光谱仪中，本系统收集500 到 1 000 nm光谱。测量数据输入计算机进行分析。

    近红外光学探头固定于安装了电机的江湾Ⅰ型立体定向仪上，大鼠操作如接种至暴露原接种孔（A孔），在对侧颅骨表面对称部位钻一直径1 mm小孔（B孔）。通过计算机软件进行自动控制探头向颅内进针，起点为硬脑膜表面，每步长为0.2 mm，采样频率为2 Hz，每步点测量20次，取均值以降低背景噪音。

    1.5  组织病理学  测量后麻醉处死大鼠，取脑固定于10%福尔马林溶液24 h以上，石蜡包埋，切片，HE常规染色，对切片进行病理学分级。

    1.6  统计学分析  所有步点SO2值给出均值±s，用SPSS13.0及Excel软件包进行统计学处理，进行相应的χ2检验和双尾t检验，当P＜0.05时认为差异存在统计学意义。

    2  结  果

    2.1  大鼠术后一般情况  经过MRI和组织病理学证实，所有大鼠均建模成功。术后大鼠活动减少；进水饮食渐行减少；体重在术后10 d减少。部分大鼠出现抑郁、偏瘫、眼球突出等症状。

    2.2  MRI成像  大鼠C6胶质瘤呈椭圆形高信号影,增强后显示肿瘤中有低信号区，提示有坏死或出血，部分肿瘤占位效应表现明显。术后解剖证实所有探头的实验针道均贯穿瘤体。

    2.3  病理学诊断  对胶质瘤的组织病理学分析，全部大鼠分为Ⅱ～Ⅲ级，行NIRS测量的30只大鼠中，Ⅱ级为13只，Ⅲ级为17只；部分个体中瘤体出现组织坏死；中心区域出血；细胞有丝分裂活跃。

    2.4  脑局部SO2  正常脑组织个体从硬脑膜开始向脑内方向血氧饱和度缓慢下降，起始位置与脑深部SO2存在差异不明显(P＞0.05)。A点针道血氧饱和度在个体中对应RMI增强的坏死区有一个明显的低峰。30只C6胶质瘤荷瘤大鼠脑局部SO2均值在A点针道与B点针道间多步段存明显差别(P﹤0.05）。

    C6胶质瘤侧脑组织整体SO2为（55.1±4.7）%，而对侧脑组织整体SO2为（60.7±2.5）%，两种组织整体SO2差异存在统计学意义(P﹤0.05)。

    对C6胶质瘤SO2低峰与病理分级配对χ2检验，低峰出现与病理分级相一致。（见表1）表1  C6胶质瘤SO2低峰与病理分级比较组别

    3  讨  论

    肿瘤的生物学行为受诸多因素影响，其中包括瘤体的血管生成和能量代谢。在胶质瘤的形成过程中，血管生长因子过多表达，血管生成迅速，部分管壁不完整，甚至出血坏死［6］。而肿瘤的能量代谢分有氧能量代谢和无氧能量代谢，Ⅱ～Ⅲ级C6胶质瘤多为有氧能量代谢，能量代谢率较高［2］。组织中SO2可以反映局部的能量代谢和血液供应情况。当肿瘤具有高能量代谢率时，有氧的能量代谢的氧消耗增加，局部SO2并降低。同样，当胶质瘤恶性程度较高时，组织增生活跃甚至坏死，血供受损，局部组织输氧能力降低，也可引起SO2降低。

    SO2的NIRS测量可追溯到1977年,Jobsis首次测得了大脑局部的SO2和总血红蛋白（HbT）的浓度［7］。相对于胶质瘤研究中的血管生长因子检测、PET、1HMRS等技术，NIRS技术具有便捷、低成本、无创、操作时程短等特点［6～9］。但所测SO2是数个立方厘米组织的整体值，空间分辨率低。本文中使用了一种新型光学探头的NIRS系统，其分辨率较传统的NIRS技术明显提高。本实验中，探头贯穿C6胶质瘤瘤体，首次获得了SO2一维曲线图。在无坏死的Ⅱ级C6胶质瘤及对侧脑组织中，SO2在硬脑膜至灰质段均无明显改变；在白质段SO2持续减低。NIRS研究支持这一点。在Ⅱ级C6胶质瘤与对侧脑组织中SO2 存在的明显差异。在Ⅲ级C6鼠脑胶质瘤瘤体中出现坏死及出血灶的个体，MRI成像检查表现异常，同一步段SO2曲线出现了相应的低峰。这说明胶质瘤的坏死和出血灶的局部SO2 特征性地减低了。

    在以往手术中，测量胶质瘤SO2 时，无探测纬度参数，测得的SO2 值所代表的组织体积过大，空间分辨率低［10］。这不能很好地判断所测组织中有无出血、坏死，其范围多大及位置多深。本文中研究对象为大鼠C6胶质瘤模型，其瘤体体积远小于神经外科胶质瘤患者实际瘤体体积。但本NIRS系统仍能反映出有坏死及出血的C6鼠脑胶质瘤个体，这说明本NIRS系统具有很强的实用性，高空间分辨率。对于术中要切除的胶质瘤，使用本NIRS系统可先行测得术区局部脑组织的SO2 一维曲线，作为术中迅速判断瘤体有无出血坏死，及其范围、位置的有力工具，为手术者修正术式提供重要依据；并可在术中反复测量，起术中导航的作用，克服手术中脑移位对手术的影响。

    NIRS技术能便捷地活体在位测量颅脑内组织的SO2 。胶质瘤瘤体低SO2 与肿瘤的能量代谢、组织出血坏死有关。恶性C6胶质瘤的出血和坏死在一维CO2 曲线中有明显的低峰。本NIRS系统较传统的NIRS技术有更强的实用性，高分辨率，应用前景广泛。

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［4］Qian Z Y, Victor S S, Gu Y Q, et al. "LookAhead Distance" of a fiber probe used to assist neurosurgery: Phantom and Monte Carlo study［J］. Optics Express Vol. No. 16 ,11 August 2003,11,1844．

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