KR20150075053A

KR20150075053A - 형광유도 수술(ｆｇｓ)용 휴대형 디지털 이미징 시스템

Info

Publication number: KR20150075053A
Application number: KR1020140188523A
Authority: KR
Inventors: 유키히코 히로시마; 용 장
Original assignee: 안티캔서, 인코포레이티드
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2015-07-02
Also published as: US20140180073A1

Abstract

형광유도 수술용 휴대형 디지털 이미징 시스템이 제공된다. 이 시스템은 광원, 형광 검출기, 디지털 신호 출력부, 메모리 및 프로세서를 포함하는 휴대용 프로브를 포함한다. 이 시스템은 또한 휴대용 프로브 및 디스플레이와 통신하는 컴퓨터를 포함한다. 휴대용 프로브는 형광 라벨 포함 조직을 조사하는 휴대용 프로브의 광원에 응답하여 수술 부위 이내의 형광 라벨 포함 조직을 자극한다. 컴퓨터는 휴대용 프로브의 디지털 신호 출력부로부터 디지털 신호를 수신하고 처리하는 디스플레이와 통신하는 컴퓨터에 응답하여 디스플레이 상에 수술 부위의 실시간 이미지 시각화를 표시한다.

Description

형광유도 수술(ＦＧＳ)용 휴대형 디지털 이미징 시스템{PORTABLE DIGITAL IMAGING SYSTEM FOR FLOURESCENCE-GUIDED SURGERY(FGS)}

본 출원은 2012년 12월 24일자로 출원되고 발명의 명칭이 "형광유도 수술(FGS)용 휴대형 디지털 이미징 시스템"인 미국 특허출원 제61,745,730호로부터의 우선권을 주장하며, 그 전체가 참조로 본 명세서에 포함된다.

본 발명은 형광유도 수술("FGS")용 휴대형 형광 이미징 장치의 사용에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 암의 형광유도 수술에서의 휴대형 디지털 형광 이미징 장치의 사용을 포함한다.

고형의 악성 종양을 가진 환자들의 장기간 생존은 통상적으로 1차 종양의 완전한 수술 절제에 의존한다. 또한, 수술 후 보조 치료를 위한 최적의 전략을 결정하기 위한 정확한 스테이징은 전이성 질병의 존재 및 정도의 조기 식별에 의존한다. 따라서, 수술 시점에서 수술 부위(operative field) 내의 1차 및 전이성 종양의 완전한 시각화는 고형 암을 가진 환자들의 치료에 필수적이다.

형광유도 수술은 종양 진단 및 절제를 향상시킨다. 자극 조명(excitatory light) 아래에서 형광성을 갖는 성장하는 종양의 보기는 표준 "밝은 조명" 수술("BLS": bright light surgery)을 통한 수술중 종양 시각화에 대한 강력한 보조물이다. 세포내 형광 라벨을 이용한 1차 및 전이성 고형 종양의 라벨링은, 형광 단백질들, 형광단(fluorophore)들, 형광 항체들을 위한 유전자 코딩의 레트로바이러스 트랜스펙션(retroviral transfection)을 포함하는 다양한 기술을 통해 달성되어 있다. 라벨은 적절한 파장의 광원에 의해 형광을 내도록 자극(excite)되었을 때에 크게 증가된 시각 해상도를 허용한다. 해상도는 방출된 형광을 컴퓨터 스크린 또는 기타 표준 모니터 상에 보여질 수 있는 디지털 신호로 변환함으로써 더욱 증가된다. 고정형 형광 이미징 시스템들이 통상적으로 이러한 목적을 위해 사용된다.

이들 고정형 형광 이미징 시스템들은, 실험용 소동물들에 대한 FGS용 실험실에서 쉽게 사용되지만, 인간 암 환자들을 치료할 때에 병원 수술실 및 임상 세팅(clinical setting)들 용도로는 비현실적이다. 예를 들면, 생체내(in-vivo) 형광 분자 올림푸스 OV-100 이미징용 소동물 이미징 시스템은 50㎝×54㎝×100㎝ 캐비넷 내에 수용되고, 장치 내에 동물 전체를 도입하는 것을 필요로 하지만, 0.14×의 배율로 6.3㎝보다 크지 않은 시야를 갖는다(http://www.metamouse.com/OV100%20brochure.pdf). 이러한 장치는, 이상적으로 살균성(sterility)을 파괴하지 않고 장치를 수술 부위 이내의 관심 영역으로 유도할 수 있어야만 하는 가운을 입고 장갑을 낀 외과의사(gowned-and-gloved surgeon)에게 사용될 수 없다. 외과의사에 의한 수술중 사용은 정상적인 비암성 조직의 보존을 최적화하면서 1차 종양 및 전이성 침착의 완전한 절제를 촉진할 필요가 있다. 또한, 고정형 이미징 시스템들은 라벨링된 조직과 비라벨링된 조직 간의 경계에 관한 해상도를 감소시키고 모호성을 생성하는, 비라벨링된 조직의 상당한 배경 자가형광(background autofluorescence)을 포함할 수 있다. 형광 라벨들을 사용하는 가치는 이러한 정밀한 구분을 이루는데 있다. 예를 들면, 고형 악성 종양을 가진 환자를 치료할 기회를 최적화하기 위해서는, 암 세포들을 포함하는 모든 조직이 비라벨링된 정상의 체세포들의 제거를 최소화하여 정상 조직들 및 기관들의 기능을 보존하면서 절제되어야 한다.

FGS가 임상 세팅들 내에서 일상화되고 실험실에서의 사용을 향상시키기 위해서는, 개선된 이미징 시스템이 필요하다.

본 명세서에서 문서들의 인용은 본 출원인이 관련 선행 기술인 것으로 인정하는 것이 아니다. 임의의 문서의 명시된 날짜 또는 내용들의 표현은 본 출원인이 구할 수 있는 정보에 기초하고 임의의 문서의 날짜 또는 내용들의 정확성에 대한 어떠한 인정도 되지 않는다.

본 발명의 실시예들은 형광유도 수술용 및 암의 형광유도 수술용 휴대형 디지털 형광 이미징 장치를 사용하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 이 시스템 및 방법은 수술 부위 이내의 형광 라벨 포함 조직(fluorescent label-containing tissue)을 자극하여 디스플레이 상에 수술 부위의 실시간 이미지 시각화를 표시하도록 수술 부위를 향하여 유도되는 휴대용 프로브의 사용을 포함한다.

실시예는 형광유도 수술용 휴대형 이미징 장치의 사용 방법을 포함한다. 이 방법은, 휴대용 프로브를 수술 부위를 향하여 유도하는 단계를 포함하고, 여기서 프로브는 광원, 형광 검출기, 및 디지털 신호 출력부를 포함한다. 이 방법은, 또한 형광 라벨 포함 조직을 조사하는 휴대용 프로브의 광원에 응답하여 수술 부위 이내의 형광 라벨 포함 조직을 자극하는 단계를 포함한다. 그러면, 이 방법은 휴대용 프로브의 디지털 신호 출력부로부터 형광 라벨 포함 조직의 이미지 데이터를 수신하는 컴퓨터와 통신하여 컴퓨터에 응답하여 스크린 상에 수술 부위의 실시간 이미지 시각화를 표시하는 단계를 포함한다.

"스크린", "모니터", 또는 기타 관련 용어가 본 출원서 전반에 걸쳐서 사용되는 경우, 본 발명의 실시예들은 FGS 중에 시각화를 위하여 이들 또는 임의 타입 및 수의 디스플레이들을 사용할 수 있음이 이해될 것이다.

다른 실시예는 형광유도 수술용 휴대형 디지털 이미징 시스템을 포함한다. 이 시스템은 광원, 형광 검출기, 디지털 신호 출력부, 메모리 및 프로세서를 포함하는 휴대용 프로브를 포함한다. 이 시스템은 또한 휴대용 프로브와 통신하는 컴퓨터, 및 디스플레이를 포함하며, 이 컴퓨터는 메모리 및 프로세서를 포함한다. 휴대용 프로브는 형광 라벨 포함 조직을 조사하는 휴대용 프로브의 광원에 응답하여 수술 부위 이내의 형광 라벨 포함 조직을 자극한다. 또한, 컴퓨터는 휴대용 프로브의 출력부로부터 디지털 신호를 수신하고 처리하는 컴퓨터에 응답하여 스크린 상에 수술 부위의 실시간 이미지 시각화를 표시한다.

본 발명의 상기한 그리고 다른 특징들 및 이점들은 첨부된 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다음과 같은 특정 실시예들의 보다 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

특허 또는 출원은 컬러로 실행된 적어도 하나의 도면을 포함한다. 컬러 도면(들)을 갖는 이 특허 또는 특허출원 공개의 사본들은 요청 시에 필요한 금액의 지불로 특허청에서 제공될 것이다.
도 1은 형광 라벨링된(fluorescent-labeled) 세포들을 포함하는 조직들의 실시간 디지털 이미징을 위한 예시적인 핸드헬드 프로브의 개략도.
도 2는 본 발명을 실시하는 단계들을 나타내는 플로차트.
도 3은 2개의 대응하는 고정형 이미징 시스템과 대조되는, FGS 용도의 예시적인 휴대형 이미징 시스템을 나타내는 일련의 사진들.
도 4는 2개의 대응하는 고정형 이미징 시스템으로 찍은 이미지들과 대조되는, FSG 용도의 예시적인 휴대형 이미징 시스템을 사용한 유전자 라벨링된(genetically-labeled) MiaPaCa-2-GFP 종양의 이미징.
도 5는 2개의 대응하는 고정형 이미징 시스템으로 찍은 이미지들과 대조되는, FGS 용도의 예시적인 휴대형 이미징 시스템을 사용한 형광 안티-CEA 항체로 라벨링된 BxPC3 종양의 이미징.
도 6은 2개의 대응하는 고정형 이미징 시스템으로 찍은 이미지들과 대조되는 FGS 용도의 예시적인 휴대형 이미징 시스템을 사용한 형광 안티-CA19-9 항체로 라벨링된 췌장의 PDOX® 종양의 이미징.

전염병을 방지하고 치료하기 위한 백신들 및 항생제들의 발견 이래로, 암은 45세 이상의 성인들의 죽음의 주된 원인이 되어 있다. 심장병만이 해마다 보다 많은 죽음에 책임이 있다. 죽음의 원인인 가장 공통적인 변수들 - 폐, 심장, 대장, 및 췌장 -을 포함하는 대부분의 세포 타입은 최초에 고형 1차 종양을 형성한다. 이 종양이 치료되지 않은 경우, 질병이 진행된다. 성장하는 침투성(invasive) 1차 종양은 인접하는 필수 구성물들을 압박하고 침투하여, 그들의 기능과 간섭된다. 개개의 암 세포들은 1차 종양으로부터 분리되고 림프관들을 통하여 국소 림프절(regional lymph node)들에 전이되거나, 멀리 떨어진 기관들, 공통적으로 폐, 간, 뇌, 및 골수에 조혈성으로(hematogenously) 전이된다.

고형 종양을 형성하는 강력한 대다수의 암에서, 모든 암 세포의 수술 절제는 치료를 위한 유일한 기회를 제공한다. 완전한 절제는 절제된 1차 종양의 주변 전체 둘레의 암 세포 없는 마진(cancer cell-free margin)을 얻는 것을 요구한다. 또한, 2차적인 전이성 종양의 식별 및 통상의 절제를 요구한다. 1차 종양의 절제와 전이들의 식별 및 절제 양쪽에서, 외과의사는 1차 종양과 수술 부위 이내의 임의의 국소 전이성 질병 양쪽의 정밀한 위치 및 정도를 규정할 때에 보기 및 터치의 도움되지 않는 감각들로 제한된다. 그러나, 인간의 신체 감각들은, 충분한 정밀도로 절제의 완성도를 결정할 수 없다. 따라서, 종양 마진을 정확하게 규정하고, 상처 베드(wound bed) 내의 임의의 잔류 종양을 시각화하며, 수술 시에 전이들을 식별하는 외과의사의 능력이 암 수술의 성공을 결정할 수 있다. 수술실에서는, 감각들에 대한 보조물들이 필요하다.

진단 이미징 양식들(예들은 X-레이 형광투시, 플레인 포터블 X-레이 필름들, 및 수술중 초음파를 포함함)은 질병의 정도를 결정하고 수술 절제를 유도하는 보조물로서 외과적 탐사 중에 오랫동안 사용되고 있다. 이들 양식들은, 주변의 필수 구성물들에 대한 종양의 근접성 및 관계를 규정하는데 유용하지만, 1차 종양 또는 국소 전이성 질병의 정도의 직접적이고 실시간의 시각화를 제공할 수 없다. 오히려, 이들은 상당한 정밀도 없이 종양 덩어리의 총 규모만을 표시한다. 외과의사는 종양(들)이 끝나고 비암 조직이 시작되는 곳의 어림 평가를 행하게 되어 버린다.

수술 마진에서 종양 세포들 - 완전한 절제를 제시하는 절제된 표본의 주변 전체를 둘러싸는 비암 세포들의 중단되지 않는 림(rim) -의 미존재를 확인하는 절제된 종양의 동결 절편 조직 검사(frozen section histological examination)가 설정되고 광범위하게 사용 가능한 기법이다. 이러한 검사는 수술 중에 행해지지만, 검사될 조직은 수술실로부터 병원 내의 분리된 위치로 이동된다. 상기한 수술중 이미징 양식들과 달리, 이 기법은 불완전한 절제를 암시하는, 현미경 정밀도로 절편의 마진에서 단일 암 세포를 식별할 수 있다. 그러나, 검사를 위해 절제된 조직의 선택은 재차 보기 및 터치의 도움되지 않는 외과의사의 감각들에 의해 결정된다. 또한, 동결 절편에 의한 수술 마진들의 평가는 절편들이 병리학자에 의해 현미경 검사를 위해 준비되어 있는 검사될 절편의 수 및 절제된 표본 상의 위치에 의해 한정된다. 외과의사가 아닌 병리학자는 절편(들)을 취하는 표본 상의 위치를 정확히 결정한다. 따라서, 이 기법의 정확도는 샘플링 에러로 실시된다. 최종적으로, 외과의사는 일반적으로 직접적인 평가를 행하기보다는 검사하는 병리학자가 본 현미경 조직병리학의 정확한 해석에 의존해야만 한다.

이들 양식은 어느 것도 수술중인 외과의사가 관심 있는 암 또는 다른 조직의 향상된 직접적이고 고해상도의 실시간 수술중 시각화를 제공하지 못한다.

형광 이미징은 암 내비게이션(cancer navigation)용으로 최적화되어 있는 것을 나타내고, 방사선 이미징에 비해서 그리고 수술 중의 가시성 밝은 조명 검사 및 촉진(palpation)에 비해서 보다 높은 해상도 및 감도를 제공한다(Van Dam et al. Intraoperative tumor-specific fluorescence imaging in ovarian cancer by folate receptor-α targeting: first in-human results. Nat . Med . 17, 1315-19 (2011)). 네가티브 수술 마진은 암을 가진 환자들의 치료 및 장기간의 생존을 달성하는데 필수적이다. FGS는 수술 결과를 향상시키고, 인간 췌장암 및 대장암에 대한 정위(orthotopic) 쥐 모델에서의 재발률을 감소시킨다(Metildi, C.C. et al. Fluorescence-guided surgery allows for more complete resection of pancreatic cancer, resulting in longer disease-free survival compared with standard surgery in orthotopic mouse models. J. Am . Coll . Surg . 215, 126-35 (2012), 및 Metildi, C.A. et al. Fluorescence-guided surgery of human colon cancer increases complete resection resulting in cures in an orthotopic nude mouse model. J. Surg . Res . 179, 87-93 (2013)).

발색단 분자(chromophore molecule)들, 형광 단백질들 및 형광 항체들을 포함하는 형광 라벨들은 개개의 세포들을 라벨링하는데 모두 사용되고 있다. 우세 형광 단백질은 녹색 형광 단백질("GFP")이다. GFP 및 관련 형광 단백질들은 442 내지 645nm 또는 그 이상의 범위의 발광 스펙트럼을 갖는 동족 단백질 페밀리(homologous protein family)이다. 이들은 사이즈가 25 내지 30kDa 범위이고, 형광을 내는 공동 인자들 또는 물질들을 요구하지 않는 내부발색단(internal chromophore)들을 형성한다. 이들 형광 단백질은 ε'= 6,500 내지 ε'= 95,000까지의 범위의 매우 높은 소광 계수를 갖는다. 또한, 이들은 0.24 내지 0.8까지의 범위의 매우 높은 광자 수율을 갖는다. 이들 특성은 매우 밝은 형광 단백질들을 만든다. GFP의 2개의 큰 광자 흡수는 생체내 응용분야에서 중요하다. 다른 중요 특징은 패밀리의 많은 구성원 간의 스펙트럼 구별이며, 그래서 다색 형광 단백질들의 세트가 생체내 이미징을 다기능화하기 위해 동시에 사용될 수 있다. 이들의 조합된 모든 특성은 생체내 세포 이미징에 최적인 형광 단백질들을 만든다. GFP로 라벨링된 세포들은 가시 스펙트럼의 블루 범위 이내의 적절한 자극 파의 광에 노출되었을 때에 매우 강하게 성장한다(Hoffman, R.M. The multiple uses of fluorescent proteins to visualize cancer in vivo. Nature Reviews Cancer 5, 796-806 (2005)). GFP로 형광 라벨링하는 것은 생체내 다른 광 이미징 방법들에 대하여 중요한 이점들을 갖는다. GFP는 매우 강한 신호이고 이미지들은 총 다크니스(total darkness)의 필요가 없는 상당히 간단한 장치로 캡쳐될 수 있다. 형광 단백질들은 이미지화될 다수의 이벤트를 허용하는, 많은 컬러로 원뿔화(cone)된다. 또한, 발색단이 단백질의 3차원 구조에 의해 보호되므로, GFP 형광은 외부 환경에 의해 비교적 영향을 받지 않는다(Hoffman, R.M. The multiple uses of fluorescent proteins to visualize cancer in vivo. Nature Reviews Cancer 5, 796-806 (2005)).

임상 전으로, FGS용의 가장 유망한 종양 라벨링 방법들은 GFP 유전자를 갖는 종양 세포들을 트랜스펙트하는 종양 특이성 레트로바이러스를 이용하거나, 종양 특이성 형광 항체들을 활용한다(Bouvet, M., and Hoffman, R.M. Glowing tumors make for better detection and resection. Sci. Transl. Med. 3, 110sf10, 2011)). 모든 타입의 종양이 텔로머라이제(telomerase)를 나타내므로, GFP를 특히 종양에 전달하는 텔로머라이제 의존 아데노바이러스를 사용하는 유전자 라벨링 방법은 광범위한 응용분야에서 잠재력을 제공한다(Kishimoto, H., et al. In vivo internal tumor illumination by telomerase-dependent adenoviral GFP for precise surgical navigation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 106, 14514-17 (2009); Kishimoto, H., et al. Selective metastatic tumor labeling with green fluorescent protein and killing by systemic administration of telomerase-dependent adenoviruses. Molecular Cancer Therapeutics 8, 3001-08 (2009); Kishimoto, H., et al. Tumor-selective adenoviral-mediated GFP genetic labeling of human cancer in the live mouse reports future recurrence after resection. Cell Cycle 10, 2737-41 (2011)). 이러한 유전자 안정성 라벨링 방법은 또한 암 재발의 검출을 허용하여, 잠재적으로 상당한 이점이 있다. 그러나, 바이러스 벡터(viral vector)는 이러한 방법이 번역될 수 있기 전에 인간의 안전을 위해 또한 테스트되어야만 한다(Fujiwara, T., et al. Phase I trial of intratumoral administration of OBP-301, a novel telomerase-specific oncolytic virus, in patients with advanced solid cancer. Evaluation of biodistribution and immune response. J. Clin. Oncol. 26, 3572, 2008)).

FGS는 많은 사례에서 밝은 조명 수술(BLS)이 불가능한 장소에서 성공적인 암 수술을 할 수 있다. FGS의 임상 응용분야에 관하여 3가지의 중요한 이슈가 있다: 1) 적절한 종양 라벨링; 2) 수술실용의 간단한 휴대형 이미징 시스템; 및 3) 기술을 개발하도록 하는 환자와 같은 쥐 모델들. 종양 형광 라벨링 및 환자와 같은 동물 모델들의 기술이 선행 기술분야에서 광범위하게 설명되어 있지만, 형광 라벨을 이지지화하는데 사용되는 고정형 광원/검출기 시스템은 상술한 그리고 다른 이유 때문에 임상 사용에 비현실적이다. 본 발명은 선행 기술분야의 시스템들에 의해서는 충족되지 않는, 간단하지만 강력한 FGS용 휴대형 실시간 이미징 시스템을 활용하는 방법에 대한 필요를 충족시킨다.

본 발명의 다양한 실시예에서 설명되는 휴대형 이미징 시스템들에 의하면 우수한 결과들이 얻어진다. 핸드헬드 프로브는 매우 경량이다. 휴대형 형광 이미징 시스템들은 비교적 저가이고 $1,000 미만으로 구할 수 있다. 반대로, 고정형 이미징 시스템들은 통상적으로 $25,000과 $200,000 사이에서 판매되고 있다. 또한, 휴대형 이미징 시스템들은, 병원 수술실 및 다른 임상 세팅들 용도로는 비현실적인 보다 크고, 보다 무겁고, 매우 고가의 이미징 시스템들을 능가한다. 따라서, 휴대형 시스템을 사용하는 개시된 방법 및 다양한 실시예들은 FGS의 광범위하고, 혁신적인 사용을 가능하게 하여, 암 및 다른 질환들을 치료한다.

본 발명의 실시예들은 암의 형광유도 수술을 포함하는 형광유도 수술용 휴대형 디지털 형광 이미징 장치를 사용하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 일반적으로, 이 시스템 및 방법은 수술 부위 이내의 형광 라벨 포함 조직을 자극하고 수술 부위의 실시간 이미지 시각화를 디스플레이 상에 표시하도록 수술 부위를 향하여 유도되는 휴대용 프로브의 사용을 포함한다. 본 발명은 고정형 형광 이미징 시스템과 같은 선행 기술분야의 시스템들을 사용함에 직면한 상기한 그리고 다른 어려움들을 극복한다. 임상과 실험 응용분야 양쪽에서, 형광 라벨링된 1차 및 전이성 종양의 광범위한 수술중 및 임상 실시간 이미징을 촉진하도록 설계된다. 실시간 형광 이미징의 광범위한 가용성은 암을 가진 인간 환자들의 진단 및 치료에서 연구원들 및 외과의사들, 및 다른 건강 보호 전문인들을 도울 것이다. 본 발명은 실험실 연구원들과 임상의들 양쪽에 다른 고정형 이미징 시스템으로 가능한 것 이상으로 FGS의 가용성을 넓힌다.

도 1은 FGS용 휴대형 디지털 이미징 시스템(100)의 개략도이다. 시스템(100)은 형광 라벨링된 세포들을 포함하는 조직들의 실시간 디지털 이미징을 위한 휴대용 프로브(10)를 포함한다. 휴대용 프로브(10)는 광원(12), 형광 검출기(14), 및 디지털 신호 출력부(16)를 포함한다. 휴대용 프로브(10)는 타당한 크기 및 중량의 것일 수 있고, 조작자의 손으로 쥐도록 설계될 수 있다. 조직 손상을 회피하기 위해서, 광원(12)에 의해 방출된 파장은 가시성 또는 근적외선 스펙트럼 내에 있어야 한다. 형광 라벨로서 GFP 또는 관련 형광 단백질(들)을 활용하는 실시예에서, 요구되는 자극 광원(12)은 통상적으로 가시성 청색광 범위 내에 있고 노출된 조직에 대하여 완전히 무해하다. 자극 광원(12)은 형광 라벨 포함 조직을 향하여 유도되는 휴대용 프로브(10)의 광원(12)에 응답하여 수술 부위 이내의 형광 라벨 포함 조직을 자극한다. 이는 휴대용 프로브(10)에 의해 조사된 부위 이내의 임의의 형광 라벨이 광을 방출하도록 하게 한다. 형광 라벨로부터 방출된 광은 휴대용 프로브(10) 내에 포함된 형광 검출기(14)에 의해 검출된다.

휴대용 프로브(10)는 또한 메모리 및 프로세서를 포함하고, 여기서 펌웨어가 메모리 상에 저장되고 프로세서에 의해 실행되어 검출된 광자들을 디지털 신호로 변환한다. 적어도 이러한 방식에서, 휴대용 프로브(10)는 검출된 광자들을 디지털 신호로 변환한다. 디지털 신호가 생성되면, 디지털 신호는 휴대용 프로브(10)로부터 디지털 신호 출력부(16)를 통하여 컴퓨터(20)에 송출된다. 메모리(22) 및 프로세서(24)를 갖는 컴퓨터(20)는 프로세서(24)의 사용에 의해 메모리(22) 상에 저장된 소프트웨어를 작동시켜 휴대용 프로브(10)로부터 송출된 디지털 신호를 처리하고 형광 라벨 포함 조직을 갖는 수술 부위의 실시간 이미지 시각화를 스크린(26) 상에 표시한다. 그러면 본 발명을 실시하는 외과의사 또는 다른 사람이 휴대용 프로브(10)의 사용에 응답하여 스크린 상의 수술 부위의 표시된 실시간 이미지 시각화를 관찰한다. 디스플레이는 비디오 내시경 수술용 수술실에서, 수술실 및 다른 임상 영역들 내의 다른 응용분야들에서, 또는 연구실 및 다른 실험 응용분야들에서 현재 공통으로 사용되고 있는 컴퓨터 스크린 또는 다른 비디오 모니터 스크린 타입과 같은 표준 비디오 모니터일 수 있다.

도 2는 FGS용 휴대형 디지털 이미징 시스템의 방법(30)의 플로차트이다. 방법(30)은 수술 부위를 향하여 휴대용 프로브를 유도(directing)하는 단계(31)를 포함하고, 여기서 프로브는 광원, 형광 검출기, 및 디지털 신호 출력부를 포함한다. 단계(31) 후에, 방법(30)은 조직을 조사하는 프로브의 광원에 응답하여 수술 부위 이내의 형광 라벨 포함 조직을 자극하는 단계(32)를 포함한다. 그러면 방법(30)은 휴대용 프로브의 디지털 신호 출력부로부터 형광 라벨 포함 조직의 이미지 데이터를 수신하는 모니터와 통신하는 컴퓨터에 응답하여 스크린 상에 수술 부위의 실시간 이미지 시각화를 표시하는 단계(33)를 포함한다.

방법(30)은 (하나 이상의) 형광 프로브를 사용하여 원하는 세포(들)의 수술 전 라벨링을 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 형광 프로브는 GFP이지만, 이는 예시적이고 한정하고자 하는 것은 아니다. 다른 형광 라벨들이 본 발명의 다른 실시예들에서 사용될 수 있다.

타깃 세포들의 수술 전 라벨링 후, 방법(30)은 상술한 바와 같이 수술 중에 활용될 수 있다. 조직, 기관들 및 이미징하기 위한 전체 관심 영역을 노출시키도록 수술 부위가 준비된다. 그러면 휴대용 프로브가 멸균 부위 내로 이동되고, 방법(30)이 활용된다. 프로브 그 자체가 멸균성일 수 있거나, 멸균성 플라스틱 슬리브 내에 매립될 수 있거나, 그렇지 않으면 수술의 멸균성을 파괴함 없이 또는 다른 표준 보호 관행을 위반함 없이 수술 용도로 준비될 수 있다.

방법(30)은 형광 라벨 포함 조직을 절제하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법(30)은 광원으로부터의 광을 수술 부위 이내의 다양한 형광 라벨 포함 조직으로 유도하도록 휴대용 프로브를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 방법은 절제를 위한 형광 라벨 포함 조직의 보다 양호한 시각화를 위해서 형광 라벨 포함 조직의 원하는 이미지를 표시하도록 수술 부위 상에 다양한 각도로 광원으로부터의 광을 유도하는 단계를 더 포함할 수 있다. 방법(30)은 외과의사에 의한 수술실에서, 임상 또는 다른 임상 세팅들에서, 또는 연구실 및 다른 실험 응용분야에서 활용될 수 있음이 이해될 것이다.

방법(30)은 암 환자와 같은 쥐 모델들에서 실시될 수 있다. FGS의 이전의 개발은, 고정형 형광 이미징 시스템들의 사용으로, 무병 생존을 포함하는, BLS에 비해서 정위 쥐 모델들의 인간 종양의 향상된 절제 및 상당히 개선된 결과들을 나타낸다. 방법(30) 및 휴대용 프로브(10)는, 실험용 소동물 대상의 실험실 세팅에 있어서도, 고정형 형광 이미징 시스템을 사용함에 따른 상기한 어려움들을 해소한다. 방법(30)에서 활용되는 휴대용 프로브(10)는 무척 크고 부피가 큰 고정형 시스템보다도 덜 무겁고 사용하기 용이하다. 휴대용 프로브(10)는 고정형 형광 이미징 시스템의 대응하는 사용에 비해서 조작하기가 매우 편리할 뿐만 아니라, 컴퓨터 스크린 상에 직접 판독되므로 특별한 필터들 또는 필터 고글들이 필요없다. 최종적으로, 휴대용 프로브(10)의 사용으로 배경 자가형광이 감소된다.

방법(30)은 인간 환자로부터 수술 절제 직후에 NOD/SCID 쥐들에서의 피하에 초기에 설정된 대장암 환자 종양 표본을 사용하는 단계가 실시될 수 있다. 환자 종양은 NOD/SCID 인간으로부터 채취되어 털이 없는(nude) 쥐들에 정위식으로 이식된다. 인간 대장암 종양 이식의 정위 주입 8주 후에, 한정되지는 않지만 Alexa 448과 같은 형광단(fluorophore)과 함께 활용되는 단일 클론(monoclonal) 안티-CEA 항체가 개복 24시간 전에 단일 정맥내 투여량(single intravenous dose)으로서 종양을 가진 쥐들에게 전달된다. 1차 대장 종양의 절제는 휴대용 프로브(10)를 사용하여 수행된다. 방법(30)의 처리들을 수반하는 FGS 중에, 1차 종양이 디스플레이 상에 선명하게 보일 수 있다.

털이 없는 쥐 모델에 정위 대장암의 FGS 내의 휴대용 프로브를 사용하는 것은 단지 예에 의한 것이다. 방법(30)은 고형 종양을 형성하는 다른 세포 타입들에서, 그리고 실험 동물들 및 인간 양쪽에서 사용하려고 한다. 방법(30)은 1차 종양 또는 전이 완전한 절제를 돕는데 사용될 수 있다. 또한, 방법(30)은 수술중 또는 경피성(transcutaneously) 중 어느 하나로, 종양 전이들의 존재 및 위치를 식별하는데 사용될 수 있다.

도 3은 2개의 대응하는 고정형 이미징 시스템과 대조되는 FGS 용도의 휴대형 디지털 이미징 시스템의 예를 나타내는 일련의 사진들이다. A는 디노라이트(Dino-Lite) 디지털 카메라를 갖는 Dino-Lite 휴대형 이미징 시스템의 도면이다. B는 디노라이트 휴대형 이미징 시스템이다. C는 디노라이트 디지털 카메라의 확대도이다. 카메라의 치수는 10.5×3.2cm이고 중량은 단지 105g이다. D는 올림푸스 OV100 소동물 이미징 시스템의 도면이다. E는 올림푸스 MVX10 마크로 뷰의 도면이다.

도 4는 2개의 대응하는 고정형 이미징 시스템으로부터 찍은 이미지들과 대조되는, FGS 용도의 예시적인 휴대형 이미징 시스템을 사용한 유전자 라벨링된 MiaPaCa-2-GFP의 이미지들이다. 1차 MiaPaCa-2-GFP 종양은, ×0.14의 배율에서의 OV100으로 이미지화되었고(A), ×30의 배율에서의 디노라이트로 이미지화되었고(B), ×1.6 배율에서의 MVX10으로 이미지화되었다(C). BLS 후의 잔류 종양은, ×0.14 및 ×0.56의 배율에서의 OV100으로 이미지화되었고(각각 D 및 E), ×30의 배율에서의 디노라이트로 이미지화되었고(F), ×1.6 배율에서의 MVX10으로 이미지화되었다(G). A 내의 박스들은 B 및 C의 가시 영역을 표시하고, D의 박스들은 E, F 및 G의 가시 영역을 표시한다. 흰색의 화살촉들은 밝은 조명 수술("BLS") 후에 검출된 잔류 종양들을 표시한다. 이들 이미지는 본 발명의 예이고 특허청구범위의 범주를 한정하고자 하는 것이 아니다.

도 5는 2개의 대응하는 고정형 이미징 시스템으로 찍은 이미지들과 대조되는, FGS 용도의 예시적인 휴대형 이미징 시스템을 사용하는 형광 anti-CEA 항체로 라벨링된 BxPC3 종양의 이미지들이다. 형광 anti-CEA 항체로 라벨링된 1차 BxPC3 종양은, ×0.14의 배율에서의 OV100으로 이미지화되었고(A), ×30의 배율에서의 디노라이트로 이미지화되었고(B), ×1.6 배율에서의 MVX10으로 이미지화되었다(C). BLS 후의 잔류 종양은, ×0.14 및 ×0.56의 배율에서의 OV100으로 이미지화되었고(D 및 E), ×30의 배율에서의 디노라이트로 이미지화되었고(F), ×1.6 배율에서의 MVX10으로 이미지화되었다(G). A 내의 박스들은 B 및 C의 가시 영역을 표시하고, D의 박스들은 E, F 및 G의 가시 영역을 표시한다. 흰색의 화살촉들은 BLS 후에 검출된 잔류 종양들을 표시한다. 이들 이미지는 본 발명의 예이고 특허청구범위의 범주를 한정하고자 하는 것이 아니다.

도 6은 2개의 대응하는 고정형 이미징 시스템으로 찍은 이미지들과 대조되는 FGS 용도의 예시적인 휴대형 이미징 시스템을 사용하는 형광 anti-CA19-9 항체로 라벨링된 PDOX® 종양의 이미지들이다. 형광 anti-CA19-9 항체로 라벨링된 1차 PDOX® 종양은, ×0.14 및 ×0.56의 배율에서의 OV100으로 이미지화되었고(A 및 B), ×30의 배율에서의 디노라이트로 이미지화되었고(C), ×1.6 배율에서의 MVX10으로 이미지화되었다(D). ×3.2의 배율에서의 MVX10은 잔류 종양으로부터 어떠한 신호들도 검출하지 못했다(G). ×0.89의 배율에서의 OV100은 배경으로부터 잔류 종양을 구별할 수 없었다(E). ×50의 배율에서의 디노라이트는 배경으로부터 잔류 종양을 선명하게 구별할 수 있었다(F). A 내의 박스들은 B, C 및 D의 가시 영역을 표시한다. 흰색 파선들로 둘러싸인 영역들은 BLS 후에 추정된 잔류 종양 영역들을 표시한다. 이들 이미지는 본 발명의 예이고 특허청구범위의 범주를 한정하고자 하는 것이 아니다.

수술 후에, 수술 절제 베드가 휴대형 또는 고정형 이미지 시스템으로 이미지화되어, 수술 절제의 완성도를 또한 평가하고 확인할 수 있다. 또한, 절제된 표본의 조직 평가가 착수되어 종양 마진들 내의 종양 세포들의 부재를 확인할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 쥐들은 인간의 대장암 세포들의 정위 주입 2주 후에 휴대용 프로브(10)를 사용하여 FGS를 받는다. 쥐들은 마취되고 그들의 복부가 멸균된다. 장이 정중선 절개(midline incision)를 통해 전달되고, 방법(30)을 사용하는 1차 대장 종양의 FGS가 디스플레이에 결합된 휴대용 프로브(10)를 사용하여 수행되고, 여기서 실시간 이미징이 방법(30)에 따라 휴대용 프로브(10)를 사용하여 생성되어 종양의 절제를 유도한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 휴대형 비침투성 형광 이미징이 종양 재발 및 진행을 평가하는데 사용된다. 길이 방향으로의 재발을 평가하기 위해서 그리고 수술 후의 종양 진행을 계속 지켜 보기 위해서, 털이 없는 쥐들의 매주마다의 비침투성 이미징이 인간의 고형 암 이종 이식의 절제에 수반하여 수행된다. 동물 전체가 휴대용 프로브로 외부적으로 검사되고 재발 종양이 모니터 상에 실시간 시각화로 식별된다.

본 발명의 추가 실시예는 GFP를 나타내는 OBP-401, 텔로머라이제 의존, 복제 가능(replication-competent) 아데노바이러스를 사용하여 생체내 악성 조직 내에 GFP 유전자를 도입하고 선택적으로 활성화시킴으로써 생성된 GFP 라벨을 사용한다. 이러한 수술 내비게이션에 대한 강력한 보조물은 어려운 수술 도전들 - 광범위하게 전파되는 암의 절제 -를 나타내는 털이 없는 쥐 모델들로 입증되고 있다. HCT-116 인간의 대장암 레인(lane)이 수술중에 전파된 인간의 대장암의 모델의 일례로서 사용되고 복강 내에 바이러스를 주입함으로써 라벨링된다. 악성 조직만이 밝은 형광을 낸다. 전파된 암의 털이 없는 쥐의 복강내 모델에서, 휴대형 FGS는 OBP-401로 라벨링된 모든 종양 혹(nodule)의 절제를 행할 수 있다. 이러한 그리고 다른 실시예에서 사용된 휴대형 디지털 이미징 시스템의 핸드헬드 프로브 컴포넌트는 현재 사용중인 강력한 고정형 이미징 시스템에 비해 실질적으로 적은 자가형광을 생성하여, 암 조직과 정상 조직 간의 대조를 증가시켜서 더욱 정확하게 안내된 절제를 초래한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 형광 라벨이 형광 항체인 경우에 실시된다. 인간의 대장암 세포 타입을 사용하는 본 실시예의 예에서, 환자의 대장 종양이 수술 직후에 NOC/SCID 쥐들의 피하에 초기에 설정된다. 그러면 종양이 NOD/SCID 쥐들로부터 채취되고 털이 없는 쥐들에 정위식으로 전달되어 환자유래 정위 이종이식(PDOX®) 모델들을 만든다. 정위 주입 8주 후에, Alexa 448과 함께 활용되는 단일 클론 안티-CEA 항체가 개복 24시간 전에 단일 정맥내 투여량으로서 PDOX® 모델들에 전달된다. 형광 라벨의 실시간 시각화를 위해 모니터에 부착된 디지털 신호 출력부를 갖는 핸드헬드 휴대형 형광 이미징 장치가 사용된다. 휴대형 시스템은 사용하기가 용이하였고, 시간을 적게 하고, 대응하는 고정형 이미징 시스템보다도 라벨링된 조직과 비라벨링된 조직 간의 구분을 복잡하게 하는 배경 자가형광을 적게 하여 프로시저가 달성되었다. 본 실시예에서, 1차 종양은 본 발명을 실시할 때에 개복시에 선명하게 보일 수 있다.

본 명세서에서 진술한 실시예들 및 예들은 본 발명 및 그의 실제 응용을 최선으로 설명하고 당업자가 본 발명을 이루고 사용할 수 있도록 제시되었다. 그러나, 당업자는 상기한 설명 및 예들이 도시 및 예시만을 목적으로 제시되어 있다는 것을 인식하고 있을 것이다. 진술된 설명은 본 발명을 개시된 정밀한 형태에 한정하고자 하는 것이 아니다. 상기 교시의 관점에서 많은 변경 및 변형이 가능하다.

Claims

형광유도(fluorescence-guided) 수술용 휴대형 이미징 장치의 사용 방법으로서,
휴대용 프로브를 수술 부위(surgical field)를 향하여 유도(directing)하는 단계 - 상기 프로브는 광원, 형광 검출기, 및 디지털 신호 출력부를 포함함 -;
형광 라벨 포함 조직(fluorescent label-containing tissue)을 조사하는 상기 휴대용 프로브의 광원에 응답하여 상기 수술 부위 이내의 상기 형광 라벨 포함 조직을 자극(exciting)하는 단계; 및
상기 휴대용 프로브의 상기 디지털 신호 출력부로부터 상기 형광 라벨 포함 조직의 이미지 데이터를 수신하는 디스플레이와 통신하는 컴퓨터에 응답하여 상기 디스플레이 상에 상기 수술 부위의 실시간 이미지 시각화를 표시하는 단계
를 포함하는 휴대형 이미징 장치의 사용 방법.
제1항에 있어서,
형광 라벨로 원하는 조직을 라벨링하는 단계를 더 포함하는 휴대형 이미징 장치의 사용 방법.
제1항에 있어서,
상기 형광 라벨은 형광단(fluorophore)인 휴대형 이미징 장치의 사용 방법.
제1항에 있어서,
상기 형광 라벨은 형광 단백질인 휴대형 이미징 장치의 사용 방법.
제1항에 있어서,
상기 형광 라벨은 형광 항체인 휴대형 이미징 장치의 사용 방법.
제1항에 있어서,
상기 휴대용 프로브는 휴대용 디지털 현미경인 휴대형 이미징 장치의 사용 방법.
제1항에 있어서,
암의 치료를 수행하는 단계를 더 포함하는 휴대형 이미징 장치의 사용 방법.
제7항에 있어서,
상기 암의 치료를 수행하는 단계는 인간의 종양을 절제(resecting)하는 단계를 포함하는 휴대형 이미징 장치의 사용 방법.
제1항에 있어서,
상기 실시간 이미지 시각화를 표시하는 단계는 상기 형광 라벨 포함 조직을 조사하는 것에 응답하여 상기 형광 라벨 포함 조직에 의해 방출된 광자(photon)들을 검출하는 형광 검출기를 작동시키는 단계를 포함하는 휴대형 이미징 장치의 사용 방법.
제9항에 있어서,
상기 휴대용 프로브의 작동에 응답하여 상기 검출된 광자들을 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는 휴대형 이미징 장치의 사용 방법.
제10항에 있어서,
상기 신호를 처리하고 상기 디스플레이 상에 상기 수술 부위의 실시간 이미지 시각화를 표시하도록 상기 휴대용 프로브의 상기 디지털 신호 출력부를 통해 상기 디지털 신호를 컴퓨터에 송출하는 단계를 더 포함하는 휴대형 이미징 장치의 사용 방법.
형광유도 수술용 휴대형 디지털 이미징 시스템으로서,
광원, 형광 검출기, 디지털 신호 출력부, 메모리 및 프로세서를 포함하는 휴대용 프로브;
상기 휴대용 프로브와 통신하는 컴퓨터 - 상기 컴퓨터는 메모리 및 프로세서를 포함함 -; 및
디스플레이
를 포함하고,
상기 휴대용 프로브는 형광 라벨 포함 조직을 조사하는 상기 휴대용 프로브의 상기 광원에 응답하여 수술 부위 이내의 상기 형광 라벨 포함 조직을 자극하며,
상기 컴퓨터는 상기 휴대용 프로브의 상기 디지털 신호 출력부로부터 디지털 신호를 수신하고 처리하는 상기 디스플레이와 통신하는 컴퓨터에 응답하여 상기 디스플레이 상에 상기 수술 부위의 실시간 이미지 시각화를 표시하는 휴대형 이미징 시스템.
제12항에 있어서,
형광 라벨을 더 포함하고,
원하는 조직이 상기 형광 라벨로 라벨링되는 휴대형 이미징 시스템.
제12항에 있어서,
상기 휴대용 프로브는 휴대용 디지털 현미경인 휴대형 이미징 시스템.
제12항에 있어서,
상기 휴대용 프로브의 상기 광원은 미리 정해진 파장 내에서 작동하는 휴대형 이미징 시스템.
제15항에 있어서,
상기 광원의 상기 미리 정해진 파장은 상기 형광 라벨 포함 조직을 자극하고 주변(surrounding) 조직을 손상시키지 않도록 요구되는 파장으로 결정되는 휴대형 이미징 시스템.
제12항에 있어서,
상기 휴대용 프로브의 상기 형광 검출기는 상기 형광 라벨 포함 조직을 조사하는 것에 응답하여 상기 형광 라벨 포함 조직에 의해 방출된 광자들을 검출하는 휴대형 이미징 시스템.
제17항에 있어서,
상기 휴대용 프로브는 상기 휴대용 프로브의 작동에 응답하여 상기 검출된 광자들을 디지털 신호로 변환하는 휴대형 이미징 시스템.
제18항에 있어서,
상기 디지털 신호 출력부는 상기 디지털 신호를 상기 컴퓨터에 송출하는 휴대형 이미징 시스템.
제19항에 있어서,
상기 컴퓨터는 디지털 신호를 처리하고 상기 처리된 신호를 상기 수술 부위의 실시간 이미지 시각화를 표시하기 위한 디스플레이에 송출하는 휴대형 이미징 시스템.