专利名称：利用细胞自荧光检测癌症的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及检测癌细胞，尤其是涉及利用细胞自荧光检测癌细胞。
癌症越早发现，癌症患者的生存率越高。癌症早期检测的已知方法只限于诸如内诊镜监视检查以及随机活组织检查技术，这两种技术既昂贵又效率低。另外，应用相对高级的辐射方法会导致组织损害，因此一般不是优选方法。
自荧光已用于试图检测癌细胞组织。尤其是，当称为荧光团的某些物质被另一种光激励后发出波长更长的光时，就产生了荧光。在人体和动物组织内产生的荧光通常称为自荧光，因为这些荧光是由组织内自然产生的荧光团发出的。正常组织和癌组织的自荧光强度不同，而且自荧光可用于检测不同器官中的癌组织，包括结肠、食道、胸部、皮肤以及颈部。
在许多医学和实验室应用中，通常优先使用自荧光来检测癌组织，因为自荧光能避免引入外生荧光团或任何其它外来因素。外来因素的使用将增加成本，而且由于外来因素结合到被检验组织中的滞后，会导致时延。外来因素也将带来产生反面效果的风险。
然而，已知的自荧光使用被限制到依赖于从整个细胞组织的细胞外成分发出的非特定自荧光。具体地，整个细胞组织的多个细胞外部分，包括血液、血管、胶原蛋白以及弹性蛋白，能产生自荧光。从正常组织到癌组织，这些细胞外成分的变化方式可能不是特定的。更具体来说，已知的利用自荧光检测癌组织的方法不能区别，从正常组织到癌组织是细胞产生了变化，还是非特定的细胞外的变化。因此，已知的利用自荧光检测癌组织的应用还依赖于非特定自荧光，因此在癌症病变早期无法跟踪细胞的变化。
我们希望提供便于利用自荧光对癌细胞进行早期检测的装置和方法。还希望提供的这种自荧光装置和方法能排除非癌症所特定的细胞外变化。
通过提供检测细胞自荧光强度的装置和方法可实现本发明的上述以及其他目的，该装置和方法能对癌细胞进行早期检测，且能排除非癌症所特定的细胞外变化。在一个实施例中，该装置包括一个光源，用于产生一束光，以激励一个组织发出细胞自荧光。该光束首先通过一个窄带光学滤波器滤波，该光学滤波器用于通过波长约为200-329nm的光，这些波长的光最适合产生细胞自荧光。这个光束接着经一双向光导纤维束被发送到细胞组织，该光导纤维束有一个采样端位于或接近于所要检验的组织。在双向光导纤维束的采样端和该组织之间有一透镜系统，用于采集来自该组织的光采样。该光采样通过该双向光导纤维束回送，以及通过一个带通波长范围为320-340的窄带光学滤波器。位于双向光导纤维束输出端的一个光检测器测量从该组织发出的细胞自荧光强度。
本发明另一方面涉及一种检测一个组织中的癌变前期细胞和癌细胞的方法，而在一个实施例中，该方法包括步骤用通过一个双向光导纤维束发送的一束光激励该组织，以及测量从该组织发出的细胞自荧光强度。双向光导纤维束可通过内诊镜的活组织检查通道，或通过一根针插入到该组织中。光束的波长范围为约200-329 nm，而光采样通过该双向光导纤维束，以及通过一个带通波长范围为320-340的窄带光学滤波器被发送回来。
在约为330 nm的辐射波长测量光采样的强度，使得能检测癌变前期细胞和癌细胞。具体地，在330 nm的光采样强度随着从正常组织到癌组织的癌变而系统地增强。另外，在上面指定的波长上，非癌症所特定的细胞外变化被排除，因此只能检测到细胞变化。我们认为，细胞所特有的荧光来自于包含氨基酸色氨酸的细胞薄膜结构。
图1示出了根据本发明的一个实施例，利用细胞自荧光检测癌症的装置原理图。
图2示出了根据本发明的另一实施例，利用细胞自荧光检测癌症的装置原理图。
图3示出了根据本发明的一个实施例，利用细胞自荧光检测癌症的方法流程图。
图4示出了根据本发明的其他实施例，利用细胞自荧光检测癌症的装置原理图。
本发明提出了利用细胞自荧光检测玻璃试管内和体内癌症的装置和方法。尽管下面要描述本装置和方法的特定实施例，但对其进行各种变化和改进是可能的。而且在此使用的术语“组织”同时指玻璃试管内和体内的组织。另外，在此使用的术语“组织”指的是组织、器官(在自然条件下，或在活的动物或人体内)，以及细胞样本，如细胞学中的细胞样本(在玻璃片上检验细胞的薄膜)。此外，该癌症检测装置和方法可连带用于检测早期癌症、或癌变前期，或发育异常。
具体参考附图，图1为利用细胞自荧光检测玻璃试管内或体内癌症的装置10原理图。装置10包括光源12，如用常规电源激励的氙弧光灯或激光。窄带带宽约为125 nm，用于通过约为200-329 nm波长范围内的光的第一光学滤波器14，位于光源12产生的光束路径上。在一个实施例中，第一光学滤波器14的窄带带宽约为35 nm，用于通过约为280-315 nm波长范围内的光。从第一光学滤波器14后出来的光束通过一个去除任何背景光波长的光学斩波器16。该光束接着通过双向光导纤维束22，双向光导纤维束在此有时候也称为探针，在此位置用于截获从光学斩波器16出现的光束。双向光导纤维束22有个采样端28，并且包括两组光导纤维。第一组光导纤维18发送来自白色光源12的光到组织T。第二组光导纤维32从组织T回送光采样用于分析。
双向光导纤维探针22的两组光导纤维随机啮合。双向光导纤维探针22直径约小于2.5 mm，且足够长以通过内诊镜的活组织检查通道，例如长约1-2米。具体地，探针22用于通过常规内诊镜24的活组织检查通道，比如通常用于检查肠胃系统或肺部的内窥镜。在另一可选实施例中，双向光导纤维束22可通过一根针或套管针，以测量固体物质或诸如胸部、肝或胰脏腺等器官发出的细胞自荧光强度。
透镜系统30位于双向光导纤维束22的采样端28和组织T之间。透镜系统30可用于避免该组织和探针22的直接接触。发自组织T的光，包括发出的细胞自荧光以及反射和散射光，被透镜系统30采集用来形成一个光采样。
该光采样被直接送至双向光导纤维束22的采样端28。该光采样接着通过双向光导纤维束22、沿第二组光导纤维32，从采样端28被送回到第二光学滤波器34。第二光学滤波器34的窄带带宽约为20nm，用于通过约为320-340 nm波长范围内的光，而且位于从组织T回送光采样的路径上。光检测器36在此用于采集从第二光学滤波器34出来的光采样。光检测器36用于测量波长从大约320 nm到340 nm变化时的光采样强度。
光检测器36生成一个电输出信号e，其幅度与波长约为330 nm时光采样的强度成正比。电输出信号e被放大，并以波形或计数响应在监视器38上显示。组织T上的细胞自荧光强度因此能被标记，并与状态已知的组织，如癌组织、癌变前期或正常组织，在约330 nm时的细胞自荧光强度相比较。癌细胞的存在是由相对于正常组织，在辐射波长约为330 nm时细胞自荧光强度有增加来指示的。因此可建立组织Ft0的细胞自荧光强度对已知的正常采样Fn的细胞自荧光强度之比。Ft/Fn的值越大，那么癌变或恶性肿瘤的程度就越严重。
图2为利用细胞自荧光和视频成像技术在玻璃试管内或在体内实时检测癌症的装置100原理图。装置100包括白色光源102，如用常规电源激励并产生一束光的氙弧光灯或激光。该光束接着通过通过双向光导纤维束108的第一组光导纤维104，它在此用于截获从白色光源102发出的光束。第一组光导纤维104发送该光束到组织T。双向光导纤维束108通过一个常规内诊镜109。在可选实施例中，双向光导纤维束可通过一根大口径(large bore)针或套管针。透镜系统110为内诊镜109的一部分，且置于组织T和双向光导纤维束108之间。它在此用于捕获从组织T反射和散射的光，以及发出的细胞自荧光，来形成来自组织T的光采样。双向光导纤维束108的第二组光导纤维106回送来自组织T的光采样。
沿双向光导纤维束108的第二组光导纤维106发送的光采样经透镜112直接进入图像获取模块114。图像获取模块114利用一个标准光学设备，如棱镜或双色镜，将该光采样分成两个光束b1和b2，每个光束包含相同的波长。光束b1被发送到常规视频检测器116，常规视频检测器116产生一个视频信号c1,表示利用内诊镜109和透镜系统110从组织T得到的标准视觉图像。光束b2被发送到光学滤波器118，在波长约为330 nm时，其带宽约为20 nm。光束b2接着照射到图像加强器120，再到电荷耦合器或CCD 122，以产生第二个视频信号c2。视频信号c2表示从组织T发出的细胞自荧光强度。视频信号c2根据细胞自荧光强度进行颜色编码，以可视地表示疾病的不同严重程度。视频信号c1和c2接着经常规电缆装置被直接送到计算机化的图像控制器124，它将两个视频信号c1和c2组合成一个信号，该信号表示由c2表示的图像叠加在由c1表示的图像之上。该组合信号接着被送入标准彩色视频监视器126以显示该组合图像。
图3为示意利用自荧光检测癌变前期、早期癌症、癌变、以及发育异常的方法150的流程图。方法150包括使第一组织受光束152作用，光束152激励该组织，并导致在波长约为330 nm时发出细胞自荧光。在这个实施例中，第一组织被检验用来检测癌症。在用该光束激励该组织后，利用标准光检测器154，波长约为330 nm时从该组织发出的细胞自荧光强度被测量。
利用步骤152和154也可并行或串行地检验状态已知，如正常、癌变前期、或癌变的第二组织。尤其是，第二组织受光源156作用，光源156激励该组织，并导致在波长约为330 nm时发出细胞自荧光。在该组织受该光束作用后，利用标准光检测器158，在波长约为330 nm时从该组织发出的细胞自荧光强度可被测量。
从第一和第二组织测量的强度接着在步骤160比较。从状态已知的第二组织得到的强度测量值被用作标准。利用比较结果，就可在步骤162确定第一组织的状态。
利用双向光导纤维束通过一个常规内诊镜的活组织检查通道，方法150也可在体内进行，这在上文已连同图1和图2描述。或者，第一和第二组织可为采集的组织采样，而方法150可在实验室进行。另外，方法150可与电荷耦合器和视频图像设备一起使用。利用这些器件和设备，在步骤154和158，自荧光强度可以实时视频图像可视表示。对细胞自荧光的实时视频扫描将使得能扫描玻璃试管内和体内的大面积组织。
图4为示意根据本发明的再一个实施例，利用细胞自荧光检测癌症的装置200原理图。装置200包括光源202，它可为常规内诊镜照明系统的一个组件。光源例如可为氙光灯或激光源。光源202通过光导纤维束206与透镜系统204耦合。透镜系统204聚焦在组织T上，组织T可为一个细胞组织、一个组织样本、一个器官或细胞。透镜系统208在此位置用于采集来自组织T的光，而且通过光导纤维束212与图像获取模块210耦合。在图像模块210中，从光导纤维束212接收的光利用诸如双色镜、或棱镜的分路器被分成两个相同波束B1和B2。
光束B1被发送到常规视频检测器214，检测器214产生一个视频信号S1,表示从组织T得到的标准视觉图像。光束B2被发送到带宽约为125 nm的光学滤波器216，它能让波长约为290 nm的光通过。在一个实施例中，光学滤波器216能使波长约为200～329 nm范围内的光通过。在另一个可选实施例中，光学滤波器216的带宽约为35 nm，它能使波长约为280～315 nm范围内的光通过。光束B2接着照射到图像加强器218，再到电荷耦合器或CCD 220，以产生第二个视频信号S2。视频信号S2表示从组织T发出的细胞自荧光强度。
信号S1和S2提供给与显示器224耦合的计算机化图像控制器222。来自信号S2的自荧光图像可被色彩编码(即，不同的颜色表示不同的荧光强度级别，由此表示癌变级别)，并叠加到来自信号S1的标准内诊镜图像上。例如，癌变组织的细胞自荧光强度将强于同一器官内的正常组织的自荧光强度。癌变区域的强度也将大于发育异常区域的强度，而发育异常区域强度又应大于正常区域的强度。如果激光源被用作光源202，那么可利用选通机制快速和交错地利用白光(用于常规视频内诊镜)和激光(用于荧光成像)照射样本。
利用上述的方法和装置，可在内诊镜检查期间从肠胃器官、肺、膀胱、输尿管、颈、皮肤以及胆管和胰管获得荧光图像。窄径的内诊镜可通过更大内诊镜的活组织检查通道，得到来自诸如输尿管、胆管和胰管等器官的细胞荧光成像，或可通过更大口径的针或套管针来检查诸如肝、胰脏、胸、肾衰竭等固态器官或其它物质。
测量在辐射波长约为330 nm时的光采样强度使得能检测癌变前期细胞和癌变细胞。具体地，在波长330 nm时光采样强度随着从正常组织到癌变组织的癌变而系统地增强。另外，在上面指定的波长上，非癌症所特定的细胞外变化被排除，因此只能检测到细胞变化。应该认为的是，细胞所特有的荧光来自于含有氨基酸色氨酸的细胞薄膜结构。
从前面对本发明的各个实施例的描述中，显然可达到本发明的目的。尽管已对本发明进行了详细描述和示意，但显然会理解的是，它们只是用于示意和举例，不是为了限制本发明。因此，本发明的精神和范围只受所附权利要求书的条款限制。
权利要求
1．一种用于检测癌组织的装置，所述装置包括一个产生一个光束的白色光源；第一光学滤波器，最适合通过该光束的波长，该光束能优化一个组织发出的细胞自荧光；具有一个采样端的一个双向光导纤维束，所述双向光导纤维束用于发送该光束到该组织，以及回送一个来自该组织的光采样；位于双向光导纤维束的采样端和该组织之间的一个透镜系统；第二光学滤波器，最适合通过该光采样的波长，该光采样包含发出的细胞自荧光；以及一个光检测器，用于接收来自该组织的光采样。
2．根据权利要求1的装置，其中所述第一光学滤波器包括一个最适合通过约为290 nm光波长的滤波器。
3．根据权利要求1的装置，其中所述第二光学滤波器包括一个最适合通过约为320～340 nm光波长的滤波器。
4．根据权利要求1的装置，还包括一个电荷耦合器，用于提供所述发出的细胞自荧光的可视表示。
5．根据权利要求1的装置，还包括一个内诊镜，它的活组织检查通道允许从其中插入所述双向光导纤维束。
6．一种方法，包括下述步骤用一个光束作用第一组织；以及测量第一组织发出的细胞自荧光强度。
7．根据权利要求6的方法，其中所述用一个光束作用第一组织的步骤，包括用一个波长约为200～329 nm范围内的光束作用第一组织的步骤。
8．根据权利要求7的方法，其中所述用一个光束作用第一组织的步骤，包括用一个波长约为280～315 nm范围内的光束作用第一组织的步骤。
9．根据权利要求6的方法，其中测量细胞自荧光强度包括，在辐射波长约为330 nm时得到强度测量的步骤。
10．根据权利要求6的方法，其中测量细胞自荧光强度包括，利用电荷耦合器可视地表示细胞自荧光的步骤。
11．根据权利要求6的方法，其中用一束紫外光作用第一组织包括，利用一根双向光导纤维束发送该光束到第一组织的步骤。
12．根据权利要求11的方法，其中利用一根双向光导纤维束发送该光束到该组织包括，将双向光导纤维束通过一个内诊镜的活组织检查通道的步骤。
13．一种方法，包括步骤用一束紫外光作用第一组织；测量第一组织发出的细胞自荧光强度；用一束紫外光作用状态已知的第二组织；测量第二组织发出的细胞自荧光强度；比较第一组织样本的强度测量值与状态已知的第二组织样本的强度测量值，以确定第一组织是否癌变。
14．根据权利要求13的方法，其中比较第一组织的强度测量值与第二组织的强度测量值还包括，比较在辐射波长约为330 nm时的强度测量值的步骤。
15．根据权利要求13的方法，还包括产生一个信号，以表示第一组织的强度测量值与第二组织的强度测量值之差的步骤。
全文摘要
本发明描述了利用细胞自荧光特别用于检测癌症的装置和方法。在一个实施例中,装置(10)包括一个白色光源(12),它产生的一束光经一根双向光导纤维束(22)的一组光导纤维(18)被传送到一个组织。双向光导纤维束(22)可通过一个常规内诊镜。该光束激励该组织,并导致在波长约为330nm时发出细胞自荧光。来自该组织的光采样通过双向光导纤维束(22)被回送,接着通过一个光检测器(36)。光检测器(36)产生一个表示细胞自荧光强度的信号,该信号可被送至监视器(38)作为一个波形或计数响应。该装置还可包括一个电荷耦合器和视频成像技术,用于产生被检验组织的实时视频图像。
文档编号G01N33/50GK1301137SQ98814168
公开日2001年6月27日 申请日期1998年8月25日 优先权日1998年6月16日
发明者巴斯卡尔·班纳吉 申请人:巴斯卡尔·班纳吉