IVD前沿丨低资源环境中如何促进早期癌症的筛查和诊断？

近日，在杂志Nature Reviews Bioengineering上发表了一篇题为“Optical imaging for screening and early cancer diagnosis in low-resource settings”的综述文章。在这篇综述中，作者概述了在低资源环境中进行癌症筛查和早期发现的高优先级需求。首先回顾了低成本成像技术在低资源环境下的两个重要用例的进展，包括使用体内光学成像来提高宫颈癌、口腔癌、肛门癌和食管癌的早期检测；其次，使用体外无玻片光学显微镜来提高组织病理学诊断的可及性。作者最后讨论了在资源不足的市场中扩大商业规模的挑战、建议及前景。

作者概述了一些关键的光学技术，有望在低资源环境中提高上皮癌前病变的早期检测。

低成本、定量、高分辨率光学成像系统的进步在改善上皮癌前病变的早期检测方面显示出巨大的希望。对于可接触的上皮表面，使用低功率显微镜或内镜进行目视检查或数字成像可以显示潜在的癌前病变。例如，口腔癌前病变或子宫颈癌前病变或早期癌症。光纤内窥镜可用于胃肠道上皮表面成像。绿光照射、蓝光照射或使用造影剂都能提高癌前病变检测的准确性。口腔组织自发荧光成像可用于检测癌前病变，其灵敏度高于白光检查。

高分辨率成像技术已经发展到揭示上皮内的细胞和亚细胞变化。共聚焦显微镜可以成像整个上皮细胞中细胞核大小、形状和间距的变化，这是癌前病变的特征。荧光染料可以用来测量葡萄糖摄取和代谢率和核形态的变化。光学相干断层扫描(OCT)可以提供高空间分辨率，可以在上皮表面下成像并识别微侵袭性癌症。微血管的光声成像可以在深度达几百微米的亚微米分辨率下产生，也可以在深度为几厘米的低声分辨率下产生，对于皮肤癌和乳腺癌的早期识别是有用的。

许多高性能光学元件的成本已大幅降低。现在有各种廉价、明亮、低功耗的LED、CCD和CMOS相机以及计算机来存储和处理图像。这些组件被用于设计低成本光学成像系统，以满足低资源环境的独特需求。除了仪器外，许多光学成像技术还需要具有专业知识的临床研究人员。在一些资源匮乏的环境中，获得这些专家的机会可能会受到限制。机器学习策略可以通过自动化图像分析来解决这个问题。此外，机器学习可用于提高图像质量，降低所需的设备要求。

标准护理包括宫颈细胞学筛查(巴氏涂片)和/或HPV检测，然后使用阴道镜检查和活检来诊断筛查呈阳性的个体。最后，癌前病变CIN2或更严重级别(CIN2+)用环形电切术(LEEP)治疗。这个过程每一步都需要病理服务和熟练的临床医生。光学技术有潜力提供即时和准确的分诊测试，目前正在开发和评估许多方法。

低成本的阴道镜 用于筛查和分诊的低成本阴道镜已经开发出来，例如，AV Magnivisualizer是一种低成本(160美元)、电池供电的手持式放大设备。在一项研究中，将AV Magnivisualizer与COLpro222DX（售价4000美元）阴道镜检查的性能进行了比较，AV Magnivisualizer的ROC曲线下面积(0.80)与阴道镜(0.86)相当。这些研究表明，与高资源环境下的标准护理相比，训练有素的护士和医生可以使用低成本的阴道镜来提供宫颈癌筛查和分类，而不会损害诊断准确性。

移动检测设备 此外还探索了使用基于移动电话的相机获取数字图像以进行宫颈癌筛查或分诊，并进行视觉或自动图像解读。此外，智能手机应用程序可以与设备集成，并提供远程专家指导，提高了可靠性和可重复性，减轻了诊断和治疗负担。目前有两种移动数字阴道镜可供商业使用。它们包括MobileODT EVA system和point of care tampon (pocket) digital colposcope。MobileODT EVA系统被用于对中国云南168名高危HPV筛查阳性的参与者进行当日数字阴道镜检查。使用标准阴道镜和活检检查发现的16例CIN2+病变中，数字阴道镜识别出15例。在秘鲁对129名妇女进行的一项研究中，83%基于口袋阴道镜获得数字图像的诊断与用标准阴道镜获得的诊断一致。敏感性和特异性(敏感性71.2%；特异性57.5%)和标准阴道镜(敏感性79.8%；特异性56.6%)相似。

基于深度学习的方法 基于深度学习的方法在为宫颈的数字图像提供客观准确的解释方面显示出了希望。例如，自动视觉评估可检测高级别宫颈癌前病变(CIN2+)和晚期癌症，ROC曲线下面积大于0.9。但存在过度训练和性能下降的风险。为了开发可用于任何系统的癌前病变检测的强大机器学习分类器，迫切需要从不同来源获得的大量经过整理的训练图像集。

高分辨率成像 已经开发了几种低成本，高分辨率的宫颈上皮成像策略。一种低成本、高分辨率的荧光显微内窥镜(HRME)可以提供原位诊断，实时显示用proflavine染色的细胞核图像，而无需活检和病理，成本低至1200美元。研究表明HRME可以作为阴道镜检查和活检的一种低成本、即时护理的替代方法。低成本的(< 5,000美元)共聚焦荧光显微镜已经发展到在体内对宫颈组织进行成像。然而仍然需要努力降低成本和复杂性，同时开发和评估简单的造影剂。光学相干显微镜可以提高宫颈癌前病变的检出率，10倍交叉验证倍数ROC曲线下面积为0.959。另一种高分辨率成像方法是基于双光子激发的内源性NAD(P)H和黄素腺嘌呤二核苷酸的荧光成像，然而很难降低这些设备的成本，同时保留检测弱水平内源性自身荧光的能力。另外，结合低成本宽视场和高分辨率成像的多模式成像策略已被开发出来，以进一步提高诊断性能。例如，将OCT与显微镜相结合的系统用于鉴定高级别癌前病变具有良好的诊断准确性(灵敏度88%，特异性69%)。多模态阴道镜由口袋阴道镜和高速HRME组成，用于快速实时图像分类原位识别癌前病变。

口腔癌检测的标准护理是常规的口腔检查，触诊和活检。在有良好的医疗资源的地区，牙医的机会性筛查是很常见的建议，可以提高口腔癌及其前体的早期发现。

自发荧光成像 自发荧光成像可以提高早期发现口腔癌及其前体的敏感性。例如，VELScope是一种价值2000美元的电池供电手持系统，使用蓝色LED照明来激发自发荧光获取数字图像。一项对27项自发荧光临床研究的荟萃分析发现，总灵敏度为82%，总特异性为62%。7项研究表明，自体荧光成像的灵敏度(78%)高于常规口腔检查(50.1%)。

结合白光和自发荧光成像 开发了一种低成本的设备，结合白光和自发荧光成像检测早期口腔癌及癌前病变，由远程专家进行非现场质量控制和诊断。该设备远程专家的口腔癌诊断(灵敏度为93%，特异性为87%)和基于CNN的算法(灵敏度为85%，特异性为89%)显示出良好的灵敏度和特异性。

共聚焦显微镜 与健康组织相比，口腔癌的共聚焦图像表现出多形性、核质比增加和结构紊乱等特征。然而，获得这种图像所需的共聚焦显微镜过于复杂和昂贵。将自发荧光成像与低成本、高分辨率的荧光显微内镜相结合可以提高特异性。在一项针对30例口腔病变手术切除患者的100个临床正常和异常部位的研究中，一种基于自发荧光和高分辨率成像相结合的算法将98%的部位正确分类；仅使用自发荧光，只有76%被正确分类。

临床专家建议使用肛门细胞学和/或HPV检测来筛查肛门癌前病变。筛查呈阳性的使用高分辨率肛门镜检查(HRA)确定可疑区域，然后由病理学家进行活检和评估。光学方法可以简化AIN2+的早期检测。此外，光学技术(如高分辨率或多模态成像)实时描绘正常粘膜和肿瘤粘膜的能力，可减少失去随访的人数。

使用商业平板扫描仪中使用的接触式图像传感器技术，开发了一种低成本的150美元设备，能够在10秒内对整个肛管进行成像。肛门粘膜检查结果在质量上与HRA相似，但空间分辨率低于HRA。在HRA指导下，使用低成本HRME对77名艾滋病毒感染者的病变进行成像，检测AIN2+的ROC曲线下面积为0.84。当使用组织病理学作为金标准时，显微内窥镜对AIN2+检测的特异性和敏感性与expert HRA相当。

内镜检查是筛查食管癌高危人群的黄金标准；然而，它是侵入性的且昂贵。在高清内窥镜上添加光学扩展附件，开发出了放大内窥镜(放大至×150)，允许内窥镜对解剖微观结构进行表征，与图像增强策略一起使用时，恶性肿瘤的表征准确率可达到>90%。

传统胃肠内窥镜的成本在2万至12万美元之间，对许多低收入国家来说是一个重大障碍。超薄鼻内镜更具成本效益，在诊断Barrett食管方面与传统胃肠道内镜具有相当的敏感性和特异性。基于胶囊的内窥镜比较昂贵，并且检测Barrett食管的准确性较低，灵敏度为60-67%，特异性为84-100%。除此之外，无透镜成像技术的进步也可减小传统内窥镜的尺寸和成本。

低成本装置的临床性能必须在大型、多中心的研究中进行评估，并与组织学诊断结果进行比较。现有的内窥镜设备价格昂贵，而且在大多数资源匮乏的环境中难以维护。此外，清洗和消毒内窥镜需要昂贵的处理设备。努力降低内窥镜硬件的成本，并开发可重复使用的替代方案，可以在不需要镇静的情况下使用，这可以改善早期癌症的检测。

必须确保新的成像工具能够有效地整合到低资源环境下的临床工作流程中，确保它们在低资源环境下的大型前瞻性临床研究中得到验证，并确保工具以可承受的价格在商业上可用。在资源匮乏的环境中，技术转移尤其具有挑战性，因为临床需求很高，但财政资源有限。在设计设备时，重要的是要考虑中低收入国家在资源和临床基础设施方面的差异。

组织病理学在癌症和癌前病变的早期发现和治疗中起着至关重要的作用。可将智能手机与标准显微镜相结合，捕获高质量的载玻片数字图像以供远程访问。基于智能手机的低成本(< 3,000美元)便携式玻片片扫描仪，用于在<20分钟内扫描标准宫颈细胞学切片。低成本扫描仪和传统扫描仪获得的图像的分类精度都很好(诊断一致性的kappa值分别为0.81和0.80)。在科特迪瓦开展的一项筛查项目中，使用手机显微镜检测尿液样本中的血吸虫获得了高灵敏度(85.7%)和高特异性(93.3%)。

紫外表面激发（MUSE） 紫外(UV)LED的快速发展、新的光学制造技术和人工智能正在推动新型无玻片病理显微镜的设计。例如，由于其穿透深度有限，可以将常规荧光染色剂的激发限制在组织表面，从而消除了对样品进行物理切片的需要。MUSE也在Pocket MUSE system中实现，该系统提供高质量的多通道荧光显微镜无玻片组织学，获得了新鲜胰腺组织的高质量图像。配备MUSE的显微镜价格实惠，并且足够坚固，可以在资源匮乏的环境中使用，但需要大规模的端到端研究来验证染色程序的有效性和早期癌症检测的诊断充足性。

光学切片 光片显微镜是一种无玻片病理的替代方法，通过用薄的光片照射样品并在正交方向上收集荧光。用于组织样品无玻片成像的光片显微镜获得的新鲜前列腺组织图像和新鲜乳腺组织核心穿刺活检显示了浸润性癌症、高级别癌前病变和炎症的诊断特征。在12个样品的初步研究中，光片显微镜达到了灵敏度和特异性>90%。此外，一种微型、低成本(< 200美元)的光片显微镜(miniSPIM)已经开发出来，然而需要进一步的工作来开发低成本的坚固平台，用于低资源环境，验证样品染色方案和评估诊断准确性。其他类型的光学切片显微镜包括共聚焦显微镜或多光子荧光显微镜。然而，这些方法在低资源环境的使用存在实质性障碍，包括其成本可能超过10万美元，以及长时间、多步骤处理。

波前编码 波前编码已被用于打破DOF和分辨率之间的依赖关系，从而实现新鲜组织的高分辨率成像。DeepDOF显微镜与优化的图像重建算法一起使用时，可以在将DOF扩展到200 um的同时保持解析亚细胞特征的能力。当用于对切除的口腔手术标本进行成像时，DeepDOF显微镜能够在高度不规则的切除组织表面上一致地显示核形态和其他重要的诊断特征，而无需连续重新聚焦。现有的显微镜在低资源设置可以很容易纳入波前编码策略。无玻片显微镜的低成本策略，如MUSE或基于波前编码的方法，可以扩大对组织病理学服务的访问，因此，应该优先考虑优化染色方案和验证这些技术在低分辨率环境下的性能的大型研究。

尽管在低资源环境下的临床需求很大，但大多数开发和评估低成本成像工具的研究都是在高资源环境下进行的，使用的原型设备不够坚固，无法在基础设施和技术支持有限的环境中使用，而且尚未商业化。大多数临床表现评估都是基于相对较小的试点研究或较大的回顾性研究，这些研究使用相同的数据集进行算法开发和评估，这可能导致对技术准确性的过度估计。与高质量金标准相比，需要明确的前瞻性研究来评估相关人群的敏感性、特异性和治疗结果。

在资源匮乏的情况下，外科病理的获取途径有限，先进的光学成像工具，提高易用性，降低无玻片显微镜的成本是很重要的。然后需要更大规模的研究来评估与标准H&E组织学相比较的表现。这些研究还应包括工作流程的考虑，尽可能将筛查和诊断工作联系起来，使癌前病变患者能够在同一天进行筛查、诊断和治疗。在人力资源短缺的情况下，机器学习使癌症筛查和诊断成为可能，图像可以与远程专家虚拟共享。需要来自各种多机构设置的具有验证端点的大规模数据集来训练算法，并确保它们可从一个成像系统推广到另一个成像系统。

从基础设施和临床的角度来看，技术开发人员了解和解决每个低资源环境的需求是很重要的。低资源环境下的商业市场是不确定的而且很难获得，这是癌症筛查和诊断技术商业化的一个障碍。需要制定支持创新技术开发、转化和规模化的战略。最后，资源低和资源高的大学都应该进行课程改革，强调创新，帮助学生成为节俭设计的成功实践者。