IVD前沿丨低資源環境中如何促進早期癌癥的篩查和診斷？

無癥狀個體的癌癥篩查方案可以提高對癌前病變和早期癌癥的發現。在資源匱乏的環境中，因為可用的篩查試驗較少，通常篩查的頻率較低，而且篩查的人群較少，風險增加。資源匱乏環境中可用的檢測往往不如資源匱乏環境中可用的檢測準確。

近日，在雜志Nature Reviews Bioengineering上發表了一篇題為“Optical imaging for screening and early cancer diagnosis in low-resource settings”的綜述文章。在這篇綜述中，作者概述了在低資源環境中進行癌癥篩查和早期發現的高優先級需求。首先回顧了低成本成像技術在低資源環境下的兩個重要用例的進展，包括使用體內光學成像來提高宮頸癌、口腔癌、肛門癌和食管癌的早期檢測；其次，使用體外無玻片光學顯微鏡來提高組織病理學診斷的可及性。作者最後討論了在資源不足的市場中擴大商業規模的挑戰、建議及前景。

圖片來源：Nature reviews bioengineering

一、低資源環境下的技術開發

圖片來源：跟據文章box2內容自己做的。

二、用於癌癥檢測的光學成像

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寬視野成像

作者概述了一些關鍵的光學技術，有望在低資源環境中提高上皮癌前病變的早期檢測。

低成本、定量、高分辨率光學成像系統的進步在改善上皮癌前病變的早期檢測方面顯示出巨大的希望。對於可接觸的上皮表面，使用低功率顯微鏡或內鏡進行目視檢查或數字成像可以顯示潛在的癌前病變。例如，口腔癌前病變或子宮頸癌前病變或早期癌癥。光纖內窺鏡可用於胃腸道上皮表面成像。綠光照射、藍光照射或使用造影劑都能提高癌前病變檢測的準確性。口腔組織自發熒光成像可用於檢測癌前病變，其靈敏度高於白光檢查。

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高分辨率成像

高分辨率成像技術已經發展到揭示上皮內的細胞和亞細胞變化。共聚焦顯微鏡可以成像整個上皮細胞中細胞核大小、形狀和間距的變化，這是癌前病變的特征。熒光染料可以用來測量葡萄糖攝取和代謝率和核形態的變化。光學相幹斷層掃描(OCT)可以提供高空間分辨率，可以在上皮表面下成像並識別微侵襲性癌癥。微血管的光聲成像可以在深度達幾百微米的亞微米分辨率下產生，也可以在深度為幾厘米的低聲分辨率下產生，對於皮膚癌和乳腺癌的早期識別是有用的。

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增加光學成像的使用

許多高性能光學元件的成本已大幅降低。現在有各種廉價、明亮、低功耗的LED、CCD和CMOS相機以及計算機來存儲和處理圖像。這些組件被用於設計低成本光學成像系統，以滿足低資源環境的獨特需求。除了儀器外，許多光學成像技術還需要具有專業知識的臨床研究人員。在一些資源匱乏的環境中，獲得這些專傢的機會可能會受到限制。機器學習策略可以通過自動化圖像分析來解決這個問題。此外，機器學習可用於提高圖像質量，降低所需的設備要求。

三、體內光學成像促進癌癥的早期診斷

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有助消除宮頸癌

標準護理包括宮頸細胞學篩查(巴氏塗片)和/或HPV檢測，然後使用陰道鏡檢查和活檢來診斷篩查呈陽性的個體。最後，癌前病變CIN2或更嚴重級別(CIN2 )用環形電切術(LEEP)治療。這個過程每一步都需要病理服務和熟練的臨床醫生。光學技術有潛力提供即時和準確的分診測試，目前正在開發和評估許多方法。

低成本的陰道鏡 用於篩查和分診的低成本陰道鏡已經開發出來，例如，AV Magnivisualizer是一種低成本(160美元)、電池供電的手持式放大設備。在一項研究中，將AV Magnivisualizer與COLpro222DX（售價4000美元）陰道鏡檢查的性能進行了比較，AV Magnivisualizer的ROC曲線下面積(0.80)與陰道鏡(0.86)相當。這些研究表明，與高資源環境下的標準護理相比，訓練有素的護士和醫生可以使用低成本的陰道鏡來提供宮頸癌篩查和分類，而不會損害診斷準確性。

移動檢測設備 此外還探索了使用基於移動電話的相機獲取數字圖像以進行宮頸癌篩查或分診，並進行視覺或自動圖像解讀。此外，智能手機應用程序可以與設備集成，並提供遠程專傢指導，提高了可靠性和可重復性，減輕了診斷和治療負擔。目前有兩種移動數字陰道鏡可供商業使用。它們包括MobileODT EVA system和point of care tampon (pocket) digital colposcope。MobileODT EVA系統被用於對中國雲南168名高危HPV篩查陽性的參與者進行當日數字陰道鏡檢查。使用標準陰道鏡和活檢檢查發現的16例CIN2 病變中，數字陰道鏡識別出15例。在秘魯對129名婦女進行的一項研究中，83%基於口袋陰道鏡獲得數字圖像的診斷與用標準陰道鏡獲得的診斷一致。敏感性和特異性(敏感性71.2%；特異性57.5%)和標準陰道鏡(敏感性79.8%；特異性56.6%)相似。

基於深度學習的方法 基於深度學習的方法在為宮頸的數字圖像提供客觀準確的解釋方面顯示出了希望。例如，自動視覺評估可檢測高級別宮頸癌前病變(CIN2 )和晚期癌癥，ROC曲線下面積大於0.9。但存在過度訓練和性能下降的風險。為了開發可用於任何系統的癌前病變檢測的強大機器學習分類器，迫切需要從不同來源獲得的大量經過整理的訓練圖像集。

高分辨率成像 已經開發了幾種低成本，高分辨率的宮頸上皮成像策略。一種低成本、高分辨率的熒光顯微內窺鏡(HRME)可以提供原位診斷，實時顯示用proflavine染色的細胞核圖像，而無需活檢和病理，成本低至1200美元。研究表明HRME可以作為陰道鏡檢查和活檢的一種低成本、即時護理的替代方法。低成本的(< 5,000美元)共聚焦熒光顯微鏡已經發展到在體內對宮頸組織進行成像。然而仍然需要努力降低成本和復雜性，同時開發和評估簡單的造影劑。光學相幹顯微鏡可以提高宮頸癌前病變的檢出率，10倍交叉驗證倍數ROC曲線下面積為0.959。另一種高分辨率成像方法是基於雙光子激發的內源性NAD(P)H和黃素腺嘌呤二核苷酸的熒光成像，然而很難降低這些設備的成本，同時保留檢測弱水平內源性自身熒光的能力。另外，結合低成本寬視場和高分辨率成像的多模式成像策略已被開發出來，以進一步提高診斷性能。例如，將OCT與顯微鏡相結合的系統用於鑒定高級別癌前病變具有良好的診斷準確性(靈敏度88%，特異性69%)。多模態陰道鏡由口袋陰道鏡和高速HRME組成，用於快速實時圖像分類原位識別癌前病變。

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實現口腔癌的早期診斷

口腔癌檢測的標準護理是常規的口腔檢查，觸診和活檢。在有良好的醫療資源的地區，牙醫的機會性篩查是很常見的建議，可以提高口腔癌及其前體的早期發現。

自發熒光成像 自發熒光成像可以提高早期發現口腔癌及其前體的敏感性。例如，VELScope是一種價值2000美元的電池供電手持系統，使用藍色LED照明來激發自發熒光獲取數字圖像。一項對27項自發熒光臨床研究的薈萃分析發現，總靈敏度為82%，總特異性為62%。7項研究表明，自體熒光成像的靈敏度(78%)高於常規口腔檢查(50.1%)。

結合白光和自發熒光成像 開發了一種低成本的設備，結合白光和自發熒光成像檢測早期口腔癌及癌前病變，由遠程專傢進行非現場質量控制和診斷。該設備遠程專傢的口腔癌診斷(靈敏度為93%，特異性為87%)和基於CNN的算法(靈敏度為85%，特異性為89%)顯示出良好的靈敏度和特異性。

共聚焦顯微鏡 與健康組織相比，口腔癌的共聚焦圖像表現出多形性、核質比增加和結構紊亂等特征。然而，獲得這種圖像所需的共聚焦顯微鏡過於復雜和昂貴。將自發熒光成像與低成本、高分辨率的熒光顯微內鏡相結合可以提高特異性。在一項針對30例口腔病變手術切除患者的100個臨床正常和異常部位的研究中，一種基於自發熒光和高分辨率成像相結合的算法將98%的部位正確分類；僅使用自發熒光，隻有76%被正確分類。

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全球肛門癌篩查的體內成像

臨床專傢建議使用肛門細胞學和/或HPV檢測來篩查肛門癌前病變。篩查呈陽性的使用高分辨率肛門鏡檢查(HRA)確定可疑區域，然後由病理學傢進行活檢和評估。光學方法可以簡化AIN2 的早期檢測。此外，光學技術(如高分辨率或多模態成像)實時描繪正常粘膜和腫瘤粘膜的能力，可減少失去隨訪的人數。

使用商業平板掃描儀中使用的接觸式圖像傳感器技術，開發了一種低成本的150美元設備，能夠在10秒內對整個肛管進行成像。肛門粘膜檢查結果在質量上與HRA相似，但空間分辨率低於HRA。在HRA指導下，使用低成本HRME對77名艾滋病毒感染者的病變進行成像，檢測AIN2 的ROC曲線下面積為0.84。當使用組織病理學作為金標準時，顯微內窺鏡對AIN2 檢測的特異性和敏感性與expert HRA相當。

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低成本內鏡在食管癌早期檢測中的應用

內鏡檢查是篩查食管癌高危人群的黃金標準；然而，它是侵入性的且昂貴。在高清內窺鏡上添加光學擴展附件，開發出了放大內窺鏡(放大至×150)，允許內窺鏡對解剖微觀結構進行表征，與圖像增強策略一起使用時，惡性腫瘤的表征準確率可達到>90%。

傳統胃腸內窺鏡的成本在2萬至12萬美元之間，對許多低收入國傢來說是一個重大障礙。超薄鼻內鏡更具成本效益，在診斷Barrett食管方面與傳統胃腸道內鏡具有相當的敏感性和特異性。基於膠囊的內窺鏡比較昂貴，並且檢測Barrett食管的準確性較低，靈敏度為60-67%，特異性為84-100%。除此之外，無透鏡成像技術的進步也可減小傳統內窺鏡的尺寸和成本。

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光學成像的挑戰和潛力

低成本裝置的臨床性能必須在大型、多中心的研究中進行評估，並與組織學診斷結果進行比較。現有的內窺鏡設備價格昂貴，而且在大多數資源匱乏的環境中難以維護。此外，清洗和消毒內窺鏡需要昂貴的處理設備。努力降低內窺鏡硬件的成本，並開發可重復使用的替代方案，可以在不需要鎮靜的情況下使用，這可以改善早期癌癥的檢測。

必須確保新的成像工具能夠有效地整合到低資源環境下的臨床工作流程中，確保它們在低資源環境下的大型前瞻性臨床研究中得到驗證，並確保工具以可承受的價格在商業上可用。在資源匱乏的環境中，技術轉移尤其具有挑戰性，因為臨床需求很高，但財政資源有限。在設計設備時，重要的是要考慮中低收入國傢在資源和臨床基礎設施方面的差異。

圖片來源：跟據文章表1內容自己做的。

四、用於即時病理的顯微鏡

組織病理學在癌癥和癌前病變的早期發現和治療中起著至關重要的作用。可將智能手機與標準顯微鏡相結合，捕獲高質量的載玻片數字圖像以供遠程訪問。基於智能手機的低成本(< 3,000美元)便攜式玻片片掃描儀，用於在<20分鐘內掃描標準宮頸細胞學切片。低成本掃描儀和傳統掃描儀獲得的圖像的分類精度都很好(診斷一致性的kappa值分別為0.81和0.80)。在科特迪瓦開展的一項篩查項目中，使用手機顯微鏡檢測尿液樣本中的血吸蟲獲得了高靈敏度(85.7%)和高特異性(93.3%)。

紫外表面激發（MUSE） 紫外(UV)LED的快速發展、新的光學制造技術和人工智能正在推動新型無玻片病理顯微鏡的設計。例如，由於其穿透深度有限，可以將常規熒光染色劑的激發限制在組織表面，從而消除了對樣品進行物理切片的需要。MUSE也在Pocket MUSE system中實現，該系統提供高質量的多通道熒光顯微鏡無玻片組織學，獲得了新鮮胰腺組織的高質量圖像。配備MUSE的顯微鏡價格實惠，並且足夠堅固，可以在資源匱乏的環境中使用，但需要大規模的端到端研究來驗證染色程序的有效性和早期癌癥檢測的診斷充足性。

光學切片 光片顯微鏡是一種無玻片病理的替代方法，通過用薄的光片照射樣品並在正交方向上收集熒光。用於組織樣品無玻片成像的光片顯微鏡獲得的新鮮前列腺組織圖像和新鮮乳腺組織核心穿刺活檢顯示了浸潤性癌癥、高級別癌前病變和炎癥的診斷特征。在12個樣品的初步研究中，光片顯微鏡達到了靈敏度和特異性>90%。此外，一種微型、低成本(< 200美元)的光片顯微鏡(miniSPIM)已經開發出來，然而需要進一步的工作來開發低成本的堅固平臺，用於低資源環境，驗證樣品染色方案和評估診斷準確性。其他類型的光學切片顯微鏡包括共聚焦顯微鏡或多光子熒光顯微鏡。然而，這些方法在低資源環境的使用存在實質性障礙，包括其成本可能超過10萬美元，以及長時間、多步驟處理。

波前編碼 波前編碼已被用於打破DOF和分辨率之間的依賴關系，從而實現新鮮組織的高分辨率成像。DeepDOF顯微鏡與優化的圖像重建算法一起使用時，可以在將DOF擴展到200 um的同時保持解析亞細胞特征的能力。當用於對切除的口腔手術標本進行成像時，DeepDOF顯微鏡能夠在高度不規則的切除組織表面上一致地顯示核形態和其他重要的診斷特征，而無需連續重新聚焦。現有的顯微鏡在低資源設置可以很容易納入波前編碼策略。無玻片顯微鏡的低成本策略，如MUSE或基於波前編碼的方法，可以擴大對組織病理學服務的訪問，因此，應該優先考慮優化染色方案和驗證這些技術在低分辨率環境下的性能的大型研究。

圖片來源：跟據文章表1內容自己做的。

五、挑戰與前景

盡管在低資源環境下的臨床需求很大，但大多數開發和評估低成本成像工具的研究都是在高資源環境下進行的，使用的原型設備不夠堅固，無法在基礎設施和技術支持有限的環境中使用，而且尚未商業化。大多數臨床表現評估都是基於相對較小的試點研究或較大的回顧性研究，這些研究使用相同的數據集進行算法開發和評估，這可能導致對技術準確性的過度估計。與高質量金標準相比，需要明確的前瞻性研究來評估相關人群的敏感性、特異性和治療結果。

在資源匱乏的情況下，外科病理的獲取途徑有限，先進的光學成像工具，提高易用性，降低無玻片顯微鏡的成本是很重要的。然後需要更大規模的研究來評估與標準H&E組織學相比較的表現。這些研究還應包括工作流程的考慮，盡可能將篩查和診斷工作聯系起來，使癌前病變患者能夠在同一天進行篩查、診斷和治療。在人力資源短缺的情況下，機器學習使癌癥篩查和診斷成為可能，圖像可以與遠程專傢虛擬共享。需要來自各種多機構設置的具有驗證端點的大規模數據集來訓練算法，並確保它們可從一個成像系統推廣到另一個成像系統。

從基礎設施和臨床的角度來看，技術開發人員了解和解決每個低資源環境的需求是很重要的。低資源環境下的商業市場是不確定的而且很難獲得，這是癌癥篩查和診斷技術商業化的一個障礙。需要制定支持創新技術開發、轉化和規模化的戰略。最後，資源低和資源高的大學都應該進行課程改革，強調創新，幫助學生成為節儉設計的成功實踐者。

來源：小桔燈網

作者：動力彩虹