可生成近紅外二區螢光顯影劑之組合式醫材原型設計與前哨淋巴結定位應用評估
摘要
目前手術無影燈只能照射物體表面，但無法直接看到皮下組織。為了能在淋巴癌手術過程中可以定位前哨淋巴結，所以透過紅外線照射注射螢光顯影劑的部位，評估影像呈現的清晰程度（En-ze Qu et al., 2013）。研究方法為先把豬全身麻醉，注射不同螢光顯影劑在靜脈與皮下，並觀察螢光顯影劑在血管和淋巴的顯影效果。
壹、研究動機
癌細胞可能透過淋巴系統轉移到身體其他部位，而前哨淋巴結是癌細胞最先抵達的位置，因此我們希望可以先得知前哨淋巴結的精確位置，便能幫助醫師判斷，也可以減少切除範圍和降低正常組織的傷害。
目前手術無影燈負責減少醫師的影子，使醫師能清楚辨別組織表面、血管及不同組織差異，但一般可見光只能觀察到組織表面，無法觀察到皮下血管、淋巴管和深層淋巴結。
近紅外線二區（NIR-II）因波長比可見光長，因此光線穿透皮膚，照射組織與血管時，不易被組織散射，因此可以看到較清楚的淋巴影像（Dai-Wen Pang et al., 2022），但近紅外線二區須先注射螢光顯影劑，再由攝影設備呈現，才能形成影像。因此本研究旨在透過近紅外線二區照射注射螢光顯影劑的部位，進行影像評估，希望可以應用於腫瘤手術影像導引及前哨淋巴結定位。
貳、研究目的
本研究主要目的為可產生 NIR-I 和 NIR-II 影像的螢光顯影劑組合式醫材的設計。評估豬的血管顯影、淋巴和前哨淋巴結定位的可行性。目的包括：靜脈注射比較不同濃度的 ICG 劑量的血液循環的表現和皮下注射比較 ICG@HSA@PB、ICG@HSA、PB 和 ICG 的淋巴顯影特性。
參、研究方法
本研究以豬作為實驗動物，主要分成靜脈注射和皮下注射，觀察不同顯影劑在血管、淋巴管及前哨淋巴結的顯影效果。
實驗開始前，先將豬進行全身麻醉，減少手術過程中的不適，並持續觀察豬的心跳頻率、呼吸和麻醉程度。
在靜脈注射中有三種藥劑，分別為原始濃度 ICG（Andreas Gkikas et al., 2022）、低濃度 ICG 人血清白蛋白以及高濃度 ICG 人血清白蛋白。實驗時，將顯影劑注射到耳靜脈，每組觀察 120 分鐘並使用 NIR-I 和 NIR-II 影像儀器進行拍攝。時間點為打藥後 0、1、3、5、10、15、20、30、45、60、90、120 min。會觀察顯影劑在血管中的呈現時間、代謝狀況及影像程度。
在皮下注射中有四種藥劑，分別為 ICG、ICG+HSA、ICG+HSA+PB、PB，將顯影劑注射在豬左及右後肢，並使用 NIR-I 和 NIR-II 影像儀器進行拍攝，時間點為打藥後 0、1、3、5、10、15、20、30、45、60、90、120 min，觀察顯影劑在淋巴管與前哨淋巴結中的抵達時間、定位及影像程度。
關於安全性評估，觀察注射部位是否出現發炎、紅腫等異常情形，紀錄尿液及糞便是否有異常和體內代謝情況。
肆、預期研究結果
本研究預期透過近紅外線一區和近紅外線二區影像，觀察不同顯影劑在血管與淋巴的顯影效果。
在靜脈注射試驗中，預期中的原始 ICG 劑量、低濃度 ICG 人血清白蛋白以及高濃度 ICG 人血清白蛋白皆可產生螢光訊號，並透過不同顯影時間與血液採樣得知血液代謝情形，可比較加入人血清白蛋白後，是否提升 ICG 的穩定性和顯影效果。
在皮下注射試驗中，預期中顯影劑可由注射部位透過淋巴循環抵達前哨淋巴結。比較 ICG、ICG+HSA、ICG+HSA+PB、PB 的淋巴傳輸時間、前哨淋巴結顯影效果、螢光強度與影像清晰度。
我們預期近紅外線二區相較於近紅外線一區，因近紅外線二區具有較低的組織散射，因此可能呈現較清晰的血管、淋巴管與前哨淋巴結，減少手術切割範圍。
關於安全性，將觀察注射部位的情形，是否出現發炎、紅腫等其他異常反應，並記錄尿液及糞便顏色。
根據影像清晰度、代謝程度、前哨淋巴結定位和安全性觀察結果，若組合式顯影劑能穩定產生螢光和清楚標示淋巴結定位，則可作為日後淋巴癌手術影像引導與前哨淋巴結定位的研究基礎。
伍、參考文獻
Noh, Y.-W., et al. (2012). Near-infrared emitting polymer nanogels for efficient sentinel lymph node mapping. ACS Nano, 6(9), 7820–7831.
Tanaka, E., et al. (2006). Image-guided oncologic surgery using invisible light: Completed pre-clinical development for sentinel lymph node mapping. Annals of Surgical Oncology, 13, 1671–1681.
Yoshida, S., et al. (2022). Paradoxical alteration of indocyanine green concentration in bile and the visibility of the intra-operative fluorescence cholangiography in pigs. Annals of Medicine and Surgery, 84, 104923.
延伸筆記：穿透如何形成
光線與電磁波進入組織後沒有被完全吸收和反射，剩下的光持續傳入深處。
紅外線波長比可見光長，為何可以穿透皮膚
血紅素與黑色素：
- 血紅素：血紅素中的血基質具有卟啉共軛結構，其電子能階差與可見光的部分波段相符，因此在 542、577 nm 的波長有明顯的吸收峰，當這些波長的光照射時，電子吸收光子的能量，由基態躍至激發態，因此血紅素會吸收可見光。
- 黑色素：黑色素是黑色素聚合物，聚合物中具有大量共軛電子躍遷，幾乎能吸收各波段的光，對波長越短的光，吸收越強，吸收後的能量會轉換成熱能並散失。
紅外線與可見光：
- 紅外線（780～1000 nm）：穿透能力受吸收和散射影響，在紅外線波長範圍，血紅素與黑色素對紅外線吸收率少，組織散射少。
- 可見光（380～780 nm）：因波長短，易被皮膚黑色素與血紅素吸收。
- 大於紅外線波長的光線可能容易被組織的水吸收。