多模式光子显微病理术及其在癌症诊断与预后中的应用

The goal of the proposed research is to develop "Multimodal Optical Microscopic Pathology" (MOP) - a novel cost effective label-free microscopy for cancer diagnosis and prognosis. Multimodal Optical Microscopic Pathology combines quantitative phase imaging and auto fluorescence imaging to simultaneously image at the cellular/subcellular level morphology, scattering characteristics, and cellular metabolism of intact tissue. Two dimensional (2D) co-registered microscopic maps of tissue morphology, scattering characteristics, and the optical redox ratios of fresh，frozen or unstained fixed tissue sections will be imaged by MOP. Tissue morphology, scattering characteristics, and the optical redox ratio maps will be correlated with histopathology and patient outcome. A risk stratification algorithm for computing an optical risk score based on such correlations will then be developed to distinguish normal, dysplasia, and cancer, grade cancer and predict patient outcome. The proposed MOP system and algorithm will be developed initially focusing on breast and prostate cancers.

本项目的目标是发展"多模式光子显微病理术"（Multimodal Optical Microscopic Pathology， 简称MOP），一种独创的无标记的癌症检测及预后的定量显微镜技术平台。多模式光子显微病理术结合定量相位显微成像及生物体自发荧光成像，同时对生物体的细胞组织形态、光散射特性和细胞新陈代谢在细胞/亚细胞层次上进行成像探测。MOP不需要样品经耗时的染色等工序,可以对新鲜、冷冻或未染色的组织切片的微观组织形貌、散射特性及光氧化还原比率等直接进行空间分辨的二维成像。将MOP图谱获得的光学参数与传统组织病理手段获取的临床参数进行对比研究,建立MOP图谱与癌症等级及侵袭性的关联。基于这种关联性我们将初步开展癌症的风险评分算法研究,并首先针对前列腺癌及肺癌开展工作，.用于鉴别正常、非典型增生及癌变，并在将来进一步实现肿瘤分级及预后。

本项目集合定量相位、光散射特性显微成像及组织自发荧光成像技术，在细胞/亚细胞层次上对癌变的两个重要特征（组织微环境和细胞代谢物的改变）同时进行互配准的成像及检测，成功发展出了一种有效无标记且定量化的多模式光子显微病理技术（Multimodal Optical Microscopic Pathology，简称MOP）。该平台可应用于未染色的石蜡包埋的组织切片，也适用于未经任何处理的新鲜或冰冻组织切片，可避免耗时的染色等工序从而实现实时病理诊断。该平台可对现行的病理诊断方法提供可靠的辅助，用以筛选临床上需要特别关注的病例，并有可能进一发展成为独立的诊断仪器和预后评估系统。项目组完成了实验平台的设计、搭建，实现了数据采集与分析系统的自动化控制。构建了定量化相位及组织自发荧光成像的相关理论与算法，对其中的一些关键问题进行了深入研究。从二维分辨的相位图上，成功提取了组织病理切片光散射特性参数及其空间分布；从组织的自发荧光图上，利用非负矩阵分解方法解析获得自发荧光成分（色氨酸，弹性蛋白，FAD，NADH）的绝对含量并获得空间分辨的氧化还原比图(FAD/NADH)。针对肺鳞状细胞癌的研究发现，自发荧光成分的绝对含量在正常、癌旁、癌症组织中变化显著，随着癌症的发生色氨酸、弹性蛋白、FAD、NADH等荧光物质的含量逐渐减小。而组织的散射系数μs、约化散射系数μs’等光散射特性参数在不同等级的癌症组织中变化显著，均随着癌症等级的提高而逐渐增大。研究成果已发表期刊论文1篇，会议论文4篇，基本实现预期目标。在此基础上，项目组进一步将组织自发荧光参数与光散射特性参数构成的MOP图谱与肺鳞状细胞癌的临床指标进行对比关联，利用支持向量机建立了肺鳞状细胞癌的初步预测模型。