乳腺癌澳门威尼斯人注册网站研究由五部分组成的系列
面对强大的敌人

第4部分 /肿瘤成像

• 1 斑马鱼 斑马鱼癌症遗传学揭示了人类乳腺癌
• 2 环境毒素 二恶英指向了治疗乳腺癌的靶点
• 3 黑人女性 太多黑人女性死于乳腺癌。为什么?
• 4 肿瘤成像 乳房肿瘤的可穿戴窗口
• 5 病人导航 患者导航员改善乳腺癌患者的分娩

乳房肿瘤的可穿戴窗口

英国理工学院的达伦·罗布莱尔正在开发一种技术，帮助医生选择最好的治疗方法

2012年，生物医学工程师达伦•罗布莱尔来到波士顿大学，在那里建立了自己的生物医学光学技术实验室（BOTLab）。他向他们介绍了他发明的一种设备，一种可以帮助癌症患者的肿瘤成像新方法。“值得你们花时间，”他告诉他们。

“我知道我想把我的设备投入临床，”工程学院生物医学工程助理教授Roblyer说。

该装置允许医生透过皮肤观察乳腺癌肿瘤，并观察它们对化疗的反应。它的读数是即时的，初步澳门威尼斯人注册网站研究表明，这项技术有一天可能会为医生提供目前无法获得的信息：在药物不起作用时立即发出警报。

达伦·罗布耶（Darren Roblyer）的可穿戴传感器符合乳房，使用一组led和光学传感器，可以无创地监测乳腺癌患者对化疗的反应。Jackie Ricciardi摄

“这是澳门威尼斯人注册网站研究肿瘤的窗口。生物医学工程、机械工程、澳门威尼斯人注册网站研究与技术开发副院长凯瑟琳·克拉珀里奇（Catherine Klapperich）教授说：“实际上，你可以在不做活检的情况下看到生物学上发生了什么。”

乳腺癌通常在异常乳房x光检查后进行活检诊断；医生很少做额外的成像或活检来追踪病情进展。相反，他们会开出一个治疗方案，并且在大多数情况下坚持下去。该计划根据肿瘤的基因组成、组织结构和大小而有所不同。对于一些女性，特别是那些患有大肿瘤的女性，如果不切除整个乳房就很难切除，医生会先给她们开一些缩小肿瘤的药。

这种药物通常包括化疗，这有一系列使人虚弱的副作用。但大多数女性对这种疗法的反应非常好——五年后，75%到90%的女性癌症消失了，波士顿医学中心（BMC）血液学和肿瘤医学助理教授、乳腺肿瘤学家Naomi Ko说。

Roblyer希望他的设备能帮助剩下的10%到25%。这些妇女对化疗没有反应，几个月来忍受化疗的副作用，没有任何好处。目前，Ko说，她拥有的确定病人是否有反应的最佳工具是用手指触摸肿瘤，并用尺子大致测量肿瘤的大小。“你不想要的是肿瘤生长，这意味着化疗不起作用，”她说。“这发生。我不得不把一个病人紧急送到手术室做手术。”

如果未来几年的临床试验证实了他的早期结果，Roblyer希望他的设备能更快地为医生提供更好的信息，这样他们就可以改变病人的治疗计划，避免浪费时间和紧急手术。他说：“我们希望防止患者经历数月无效的治疗。”“我们的想法是利用光反馈来个性化和改善每个病人的治疗。”

的耀斑

Roblyer第一次接触癌症患者是在莱斯大学生物医学工程澳门威尼斯人注册网站研究生时期，师从Rebecca Richards-Kortum教授。他在霍华德休斯医学澳门威尼斯人注册网站研究所（Howard Hughes Medical Institute）的一个项目中获得了一个职位，该项目旨在让生物医学工程师在附近的医疗中心工作，从而拉近他们与医疗实践的距离。

作为该项目的一部分，Roblyer在MD安德森癌症中心所在地德克萨斯医疗中心工作。他解剖一具尸体来学习解剖学，跟随医生巡房，参加手术。他还选修了一些癌症生物学课程。“我开始痴迷于癌症和医学，”他说。

作为博士后，他加入了加州大学欧文分校贝克曼激光澳门威尼斯人注册网站研究所和医学诊所教授兼主任布鲁斯·特隆伯格的实验室。Tromberg正在开发一种新的成像技术，称为漫射光谱成像（DOSI），用于乳腺癌的治疗。

该技术将近红外光送入人体组织，并测量反射回来的光线。这项技术可以测量皮肤表面以下几厘米的组织。近红外光谱在神经科学澳门威尼斯人注册网站研究中用于检测大脑表面附近的大脑活动。光线穿过皮肤和头骨，检测血液流动的变化，表明大脑活动。

在肿瘤中，DOSI图像显示含氧血流，以及脂肪和水的含量。这些测量可以让我们了解肿瘤的代谢活动，血液是否在肿瘤的不同部位流动，以及液体是否在积聚，这可能是由于细胞死亡造成的。这项技术可以即时捕捉变化，因此它可以显示对药物管理的实时变化。

生物医学工程师Darren Roblyer建立了他的生物医学光学技术实验室，目标是制造新的设备，不仅可以照亮癌症生物学，还可以帮助改善患者的治疗。照片由Janice Checchio提供

当Roblyer加入Tromberg的团队时，该团队已经使用DOSI测量了几十名乳腺癌患者，他们都在手术前接受了化疗以缩小肿瘤。Roblyer分析了这些数据，寻找可能与好结果相关的信号，这意味着肿瘤变小了，或者是一个不好的结果，这意味着化疗无效。

他找到了一个。在肿瘤对化疗有反应的女性中，DOSI图像显示了一个闪光，一个在治疗早期出现的数据峰值。化疗输注后24小时内出现，表明含氧红细胞流入肿瘤。

目前还不清楚耀斑是如何促进肿瘤缩小的。Roblyer推测，这可能是炎症的迹象，表明肿瘤正在被化疗破坏。“我们仍在试图弄清楚分子水平上发生了什么，”他说。

即使不了解潜在的生物学，如果能在对大量患者的澳门威尼斯人注册网站研究中证明这一点，这些信息对预测仍然有价值。“测量这些肿瘤代谢的能力为我们提供了几个月后这些肿瘤会发生什么的信息。这是强大的，”Roblyer说。“从那以后，我们一直在追逐它。”

它会打开什么门？

当Roblyer来到波士顿大学时，他的首要任务是开始那些更大规模的澳门威尼斯人注册网站研究，以验证他澳门威尼斯人注册耀斑的发现。他减小了测量所需的DOSI设备的尺寸，并希望将他的新技术用于临床试验。早期版本的设备后端，即产生激光的部分，有冰箱那么大，但他现在的版本可以像公文包一样携带。他说：“这让我们可以在新的地方接触到病人，比如癌症中心的输液室。”

他给BMC的肿瘤学家打了电话，发了电子邮件，找到了高永哲，后者同意和他一起进行临床试验，以测试他的技术。在这一点上，测试包括收集患者在手术前接受化疗时的数据。Roblyer和Ko将分析这些数据，以确定他2011年的发现是否适用于更大的女性群体。如果是这样，它将进一步证明该设备可以帮助医生改善对化疗无效患者的护理。

该空间频域成像（SFDI）设备采用与可穿戴传感器类似的测量方法，澳门威尼斯人注册网站研究癌症对小鼠治疗的反应。Jackie Ricciardi摄

科赫在澳门威尼斯人注册网站研究中使用的探针是手持式的，大约有一块砖那么大。要获得全套的检测方法，需要和病人呆上几个小时，因此，很难说服病人签字。她说：“很多患者已经对他们的第一次化疗感到焦虑，所以要求他们做更多的事情是很多的。”

但她确实会问，当他们同意时，她很感激。“我们这样做是因为我们相信这将进一步加深我们对乳腺癌及其对化疗的反应的理解，”Ko说。“我不知道它会打开什么大门，但学习的潜力很大。”

到目前为止，癌症澳门威尼斯人注册网站研究人员只能从乳房x光检查中看到肿瘤的快照，或者在肿瘤组织从体内移除后进行检查。克拉珀里奇说：“有了这个装置，我们可以看到活体肿瘤对注射药物的反应。”“这项技术开启了回答以前无法回答的新的生物学问题的潜力。”

看到动态变化的能力是一回事，就像Roblyer在博士后时发现的耀斑一样。但要了解肿瘤内部发生了什么，产生了这种耀斑，以及这种生物过程如何与肿瘤的缩小联系起来，需要更广泛的挖掘，这种挖掘在人类患者身上是不可能做到的。

因此，Roblyer也使用BOTLab的成像技术澳门威尼斯人注册网站研究乳腺癌的小鼠模型。为了启动这项工作，在实验室工作的五年级澳门威尼斯人注册网站研究生Syeda Tabassum （ENG ' 18）证实，可以使用一种称为空间频域成像（SFDI）的成像形式来对小鼠的乳腺肿瘤进行成像。与DOSI类似，SFDI使用近红外光测量氧饱和度、水和脂肪含量。SFDI还允许在多个深度对肿瘤进行成像，因此可以创建，例如，整个肿瘤的血氧饱和度图。

BOTLab的一组澳门威尼斯人注册网站研究生，Fei Teng（18届工程系）（左起）、Kavon Karrobi（19届工程系）和Syeda Tabassum（18届工程系），正在不断开发更小、更灵敏的光学设备，并在实验室中进行测试。Jackie Ricciardi摄

在新的澳门威尼斯人注册网站研究中，澳门威尼斯人注册网站研究生Kavon Karrobi （ENG ' 19）正在将SFDI与另一种称为多光子显微镜（MPM）的成像形式相结合，这种成像形式可以产生更高分辨率的图像。利用MPM， Karrobi可以对肿瘤的横截面进行成像，并对血管、肿瘤细胞和组织结构进行详细观察。这有点像取下肿瘤切片，在显微镜下检查，但不接触肿瘤。

结合这些工具，Roblyer的团队可以在整个治疗过程中对肿瘤进行成像，并观察其变化情况。这项工作才刚刚开始，但迄今为止的一项观察是，肿瘤在治疗后的变化并不一致。“肿瘤内有小袋，我们正试图了解它们与肿瘤生长或治疗抵抗的关系，”Karrobi说。

可穿戴的窗户

肿瘤内的这种异质性是常见的，也是众所周知的，但Roblyer的工具使他的团队能够以一种全新的方式将它们可视化。例如，Karrobi计划将肿瘤血管系统的详细图像覆盖到氧合图上。他说：“一个为另一个提供了背景，可以让我们了解里面发生了什么。”“我们在很大程度上仍处于探索阶段。”

这项澳门威尼斯人注册网站研究正在帮助Roblyer的团队更多地了解肿瘤的行为方式，以及他们正在测试的成像工具所看到的信号意味着什么。Roblyer对他的设备检测到的细胞和分子过程了解得越多，这些信号就越有价值。“我们对肿瘤随着时间的推移会发生什么很感兴趣，”他说。“我们可以想象其他人无法想象的东西，所以我们学到了很多东西。它可以向许多不同的方向发展。”

Roblyer的团队在实验室中使用成像工具来揭示肿瘤的内部结构，如血管的形状和健康状况（左）或肿瘤组织的胶原蛋白结构（右）。这项技术侵入性太强，不能用于病人身上，但在对患有乳腺肿瘤的小鼠的实验室澳门威尼斯人注册网站研究中，它们帮助Roblyer的团队更多地了解癌症对化疗的反应是如何变化的。图片由Darren Roblyer提供

与此同时，Roblyer的实验室继续推进DOSI技术。去年，他们在砖大小的探针的基础上改进了第一个可穿戴DOSI设备。这种可穿戴设备是扁平的、星形的、灵活的，因此它可以符合乳房的形状，并且在化疗输注时佩戴，使患者更方便。

然而，为了缩小这项技术，Roblyer不得不改变它的功能。他的旧探测器收集绝对测量值，但新的探测器只检测相对变化。这有点像心率监测器，它可以显示运动时心跳的快慢，但不能显示起始心率或最大心率。

Roblyer也在提高速度和分辨率。例如，他最近完成了第二个可穿戴设计，它有更多的光源和传感器，允许它更深入地探测，并在整个肿瘤组织的不同深度拍摄一系列图像，潜在地揭示患者肿瘤中对治疗有反应或无反应的口袋。

在病人身上测试可穿戴传感器之前，Roblyer先在健康志愿者的手腕上测试了他的设备的早期设计，看看它测量血流量、水和脂肪含量的效果如何。图片由Darren Roblyer提供

他和他的团队由两名博士后澳门威尼斯人注册网站研究员和七名澳门威尼斯人注册网站研究生组成，他们在不到两年的时间里成功地创造了这些新的设计。制造首个可穿戴探针的种子资金来自波士顿大学癌症护理未来技术中心，该中心由克拉珀里奇领导。Roblyer还获得了一笔赠款，用于支持与波士顿大学弗劳恩霍夫制造创新中心的合作，该中心帮助创造了可穿戴设备中的柔性电路板和皮肤安全材料。此外，他还获得了美国癌症协会的资助，以及美国国防部乳腺癌澳门威尼斯人注册网站研究项目为期五年的400万美元资助。

他想把这些新设备带到诊所。他已经在澳门威尼斯人注册网站研究他的下一个版本：一种可穿戴设计，可以收集含氧血液、脂肪和脂质的绝对测量。他的所有努力都必须同步进行，他的团队必须从病人和实验动物的澳门威尼斯人注册网站研究中学习，并在每一步中调整他们的技术。

“最重要的是，”Roblyer说，“弄清楚这是否是正确的技术，它是否会帮助人们。”

Elizabeth Dougherty的联系方式是beth@writtenbyelizbethdougherty.com．

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