Возможности интраоперационной флуоресцентной биовизуализации нервов в нейрохирургической практике

РЕЗЮМЕ. Одной из главных целей различных хирургических операций является сохранение нервов, поскольку непреднамеренное повреждение может привести к появлению неврологического дефицита у пациента, включая онемение, боль, локальный паралич и другие. Идентификация нерва во время операции зависит от множества параметров, включая анатомию, текстуру, цвет и взаимосвязь с окружающими структурами с использованием освещения белым светом. Использование флуоресцентной маркировки нервов может усилить контраст между нервами и прилегающими тканями во время операции, что может привести к улучшению результатов.

ЦЕЛЬ. Анализ результатов пилотных исследований в области флуоресцентной биовизуализации нервов применительно к нейрохирургической практике.

МАТЕРИАЛЫ. В анализ включены публикации сообщающие о результатах применения методик флуоресцентной биовизуализации нервов с разными индукторами флуоресценции.

РЕЗУЛЬТАТЫ. На данный момент перспективными фотосенсибилизаторами, обладающими большинством желаемых характеристик для флуоресцентной хирургии нервов под визуальным контролем in vivo являются флуоресценты GE3126, оксазин 4, Cy5-NP41.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В идеальных условиях флуоресцентная визуализация нервных волокон in vivo превосходит другие методы из-за возможности получения сигнала в реальном времени, высокого пространственного разрешения, высокой чувствительности, простоты в эксплуатации и низкой стоимости. Хотя методы флуоресцентной визуализации не используются широко в клинической идентификации нервов, они демонстрируют исключительные перспективы, позволяющие существенно снизить риск неврологического дефицита.

1. Buckle T, Hensbergen AW, van Willigen DM. et al. Intraoperative visualization of nerves using a myelin protein-zero specific fluorescent tracer. EJNMMI Res. 2021; 11: 50. https://doi.org/10.1186/s13550021007929

2. Walsh EM, Cole D, Tipirneni KE, Bland KI, Udayakumar N, Kasten BB, Bevans SL, McGrew BM, Kain JJ, Nguyen QT, Rosenthal EL, Warram JM. Fluorescence Imaging of Nerves During Surgery. Ann Surg. 2019; 270(1): 69–76. https://doi.org/10.1097/SLA.0000000000003130

3. Xu H, Chen J, Feng ZJ, Fu K, Qiao YS, Zhang Z, Wang WJ, Wang YM, Zhang J., Perdanasari AT, Hanasono MM, Levin LS, Yang X, Hao YF, Li YX, Wo Y, Zhang YX. Shortwave infrared fluorescence in vivo imaging of nerves for minimizing the risk of intraoperative nerve injury. Nanoscale. 2019; (11): 19736–19741. https://doi.org/10.1039/C9NR06066A

4. Whitney M, Crisp J, Nguyen L et al. Fluorescent peptides highlight peripheral nerves during surgery in mice. Nat Biotechnol. 2011; 29: 352–356. https://doi.org/10.1038/nbt.1764

5. Gibbs-Strauss SL, Nasr KA, Fish KM, Khullar O, Ashitate Y, Siclovan TM, Johnson BF, Barnhardt NE, Hehir CAT, Frangioni JV. Nervehighlighting fluorescent contrast agents for image-guided surgery. Mol Imaging. 2011; 10(2): 91–101.

6. Chen Y, Zhang H, Lei Z, Zhang F. Recent Advances in Intraoperative Nerve Bioimaging: Fluorescence-Guided Surgery for Nerve Preservation. Small structures. Small Structures. 2020; 1 (1): 2000036. https://doi.org/10.1002/sstr.202000036

7. Hingorani DV, Whitney MA, Friedman B, Kwon JK, Crisp JL, Xiong Q, Gross L, Kane CJ, Tsien RY, Nguyen QT. Nerve-targeted probes for fluorescence-guided intraoperative imaging. Theranostics. 2018; 8(15): 4226–4237. https://doi.org/10.7150/thno.23084

8. Pedro MT, Grübel N, Durner G, Pala A, Wirtz CR, Koenig RW. Intraoperative Sodium-Fluorescence Imaging in Peripheral Nerve Sheath Tumors (PNST) — A New Additional Promising Diagnostic Tool. Front Oncol. 2021; 11: 655392. https://doi.org/10.3389/fonc.2021.655392

9. Stankoff B, Wang YM, Bottlaender M, Aigrot MS, Dolle F, Wu CY, Feinstein D, Huang GF, Semah F, Mathis CA, Klunk W, Gould RM, Lubetzki C, Zalc B. Imaging of CNS myelin by positron-emission tomography. Proc Natl Acad Sci. USA 2006; 103(24): 9304–9309. https://doi.org/10.1073/pnas.0600769103

10. Hernández IC, Mohan S, Minderler S et al. Super-resolved fluorescence imaging of peripheral nerve. Sci Rep. 2022; 12: 12450. https://doi.org/10.1038/s41598022167690

11. Рында А.Ю., Ростовцев Д.М., Олюшин В.Е. Флуоресцентно-контролируемая резекция астроцитарных опухолей головного мозга — обзор литературы // Российский нейрохирургический журнал имени профессора А.Л. Поленова.— 2018. — Том X, No.1. — С. 97–110.

12. Heckel A, Weiler M, Xia A, et al. Peripheral nerve diffusion tensor imaging: assessment of axon and myelin sheath integrity. PLoS One. 2015; 10: e0130833. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0130833

13. Рында А.Ю., Олюшин В.Е., Ростовцев Д.М., Забродская Ю.М., Папаян Г.В. Флуоресцентная диагностика с хлорином е6 в хирургии глиом низкой степени злокачественности. Biomedical Photonics. 2021;10(4):35–43. https://doi.org/10.24931/2413943220211043543

14. Wang LG, Barth CW, Kitts CH, Mebrat MD, Montano AR, House BJ, McCoy ME, Antaris AL, Galvis SN, McDowall I, Sorger JM, Gibbs SL. Near-infrared nerve-binding fluorophores for buried nerve tissue imaging. Sci Transl Med. 2020; 12(542): eaay0712. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.aay0712

15. Nguyen JT, Ashitate Y, Buchanan IA, et al. Face transplant perfusion assessment using near-infrared fluorescence imaging. J Surg Res. 2012; 177: e83-e88. https://doi.org/10.1016/j.jss.2012.04.015

16. Hussain T, Nguyen LT, Whitney M, et al. Improved facial nerve identification during parotidectomy with fluorescently labeled peptide. Laryngoscope. 2016; 126: 2711–2717. https://doi.org/10.1002/lary.26057

17. Enquist LW, Card JP. Recent advances in the use of neurotropic viruses for circuit analysis. Curr Opin Neurobiol. 2003; 13(5): 603–606. https://doi.org/10.1016/j.conb.2003.08.001

18. Wagner OJ, Louie BE, Vallie'res E, et al. Near-infrared fluorescence imaging can help identify the contralateral phrenic nerve during robotic thymectomy. Ann Thorac Surg. 2012; 94: 622–625. https://doi.org/10.1016/j.athoracsur.2012.04.119

19. Mangano MS, De Gobbi A, Beniamin F, et al. Robot-assisted nervesparing radical prostatectomy using near-infrared fluorescence technology and indocyanine green: initial experience. Urologia. 2017; 85: 29–31. https://doi.org/10.5301/uj.5000244

20. Cage TA, Yuh EL, Hou SW, et al. Visualization of nerve fibers and their relationship to peripheral nerve tumors by diffusion tensor imaging. Neurosurg Focus. 2015; 39: E 16. https://doi.org/10.3171/2015.6.FOCUS15235

21. Stone JJ, Graffeo CS, de Ruiter GCW, et al. Intraoperative intravenous fluorescein as an adjunct during surgery for peroneal intraneural ganglion cysts. Acta Neurochir (Wien). 2018; 160: 651–654. https://doi.org/10.1007/s0070101834770

22. Barth CW, Gibbs SL. Direct Administration of Nerve-Specific Contrast to Improve Nerve Sparing Radical Prostatectomy. Theranostics. 2017; 7(3): 573–593. https://doi.org/10.7150/thno.17433

23. Marangos NR, Illing B, Kruger J, Laszig R. In vivo visualization of the cochlear nerve and nuclei with fluorescent axonal tracers. Hearing Res. 2001; 162(1–2): 48–52. https://doi.org/10.1016/s0378–5955(01)003689.

24. Barnoiu OS, Garcia Galisteo E, Baron Lopez F, et al. Prospective urodynamic model for prediction of urinary incontinence after robotassisted radical prostatectomy. Urol Int. 2014; 92: 306–309. https:// doi.org/10.1159/000354352

25. KleinJan GH, Buckle T, van Willigen DM, et al. Fluorescent lectins for local in vivo visualization of peripheral nerves. Molecules. 2014; 19: 9876–9892. https://doi.org/10.3390/molecules19079876

26. Koch M, Zenk J, Iro H. Long-term results of morbidity after parotid gland surgery in benign disease. Laryngoscope. 2010; 120: 724–730. https://doi.org/10.1002/lary.20822

27. Chen SC, Wang MC, Wang WH, et al. Fluorescence-assisted visualization of facial nerve during mastoidectomy: a novel technique for preventing iatrogenic facial paralysis. Auris Nasus Larynx. 2015; 42: 113–118. https://doi.org/10.1016/j.anl.2014.08.008

28. Massaad CA, Zhang G, Pillai L, Azhdarinia A, Liu WQ, Sheikh KA. Fluorescently-tagged anti-ganglioside antibody selectively identifies peripheral nerve in living animals. Sci Rep. 2015; 5: 15766. https://doi.org/10.1038/srep15766

29. Zhang X, Chen Y, Lian L et al. Stability enhancement of PbS quantum dots by site-selective surface passivation for near-infrared LED application. Nano Res. 2021; (14): 628–634. https://doi.org/10.1007/s1227402030815

30. Kobbert C, Apps R, Bechmann I, Lanciego JL, Mey J, Thanos S. Current concepts in neuroanatomical tracing. Prog Neurobiol. 2000; 62(4): 327–351. https://doi.org/10.1016/s0301–0082(00)000198

31. Gustafson TP, Yan Y, Newton P, Hunter DA, Achilefu S, Akers WJ, Mackinnon SE, Johnson PJ, Berezin MY. A NIR Dye for Development of Peripheral Nerve Targeted Probes. Med Chem Comm. 2012; 3: 685–690. https://doi.org/10.1039/C2MD00297C

32. He K, Li P, Zhang Z, Liu J, Liu P, Gong S, Chi C, Liu P, Chen C, Tian J. Intraoperative near-infrared fluorescence imaging can identify pelvic nerves in patients with cervical cancer in real time during radical hysterectomy. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2022; 49(8): 2929–2937. https://doi.org/10.1007/s00259–022–05686-z

33. Park MH, Hyun H, Ashitate Y, Wada H, Park G, Lee JH, Njiojob C, Henary M, Frangioni JV, Choi HS. Prototype Nerve-Specific NearInfrared Fluorophores. Theranostics. 2014; 4(8): 823–833. https://doi.org/10.7150/thno.8696

34. Hackman KM, Doddapaneni BS, Barth CW, et al. Polymeric micelles as carriers for nerve-highlighting fluorescent probe delivery. Mol Pharm. 2015; 12: 4386–4394. https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.5b00582

35. Zhao YQ, Maharjan S, Sun YQ, Yang Z, Yang EF, Zhou N, Lu LJ, Whittaker AK, Yang B, Lin Q. Red fluorescent AuNDs with conjugation of cholera toxin subunit B (CTB) for extendeddistance retro-nerve transporting and long-time neural tracing. Acta Biomater. 2020; 102: 394–402. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.11.045

36. Hussain T, Mastrodimos MB, Raju SC, Glasgow HL, Whitney M, Friedman B, Moore JD, Kleinfeld D, Steinbach P, Messer K, Pu MY, Tsien RY, Nguyen QT. Fluorescently Labeled Peptide Increases Identification of Degenerated Facial Nerve Branches during Surgery and Improves Functional Outcome. PLoS ONE. 2015; 10(3): e0119600. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0119600

37. Schubert R, Trenholm S, Balint K, Kosche G, Cowan CS, Mohr MA, Munz M, Martinez-Martin D, Flaschner G, Newton R, Krol J, Scherf BG, Yonehara K, Wertz A, Ponti A, Ghanem A, Hillier D, Conzelmann KK, Muller DJ, Roska B. Virus stamping for targeted single-cell infection in vitro and in vivo. Nat Biotechnol. 2018; 36(1): 81–88. https://doi.org/10.1038/nbt.4034.

38. Wu CY, Tian DH, Feng Y, Polak P, Wei JJ, Sharp A, Stankoff B, Lubetzki C, Zalc B, Mufson EJ, Gould RM, Feinstein DL, Wang YM. A Novel Fluorescent Probe That Is Brain Permeable and Selectively Binds to Myelin. J Histochem Cytochem. 2006; 54(9): 997 1004. https://doi.org/10.1369/jhc.5A6901.2006

39. Cotero VE, Kimm SY, Siclovan TM, Zhang R, Kim EM, Matsumoto K, Gondo T, Scardino PT, Yazdanfar S, Laudone VP, Hehir CAT. Improved Intraoperative Visualization of Nerves through a Myelin-Binding Fluorophore and Dual-Mode Laparoscopic Imaging. Plos One 2015; 10(6): e0130276. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0130276

40. Рында А.Ю., Олюшин В.Е., Ростовцев Д.М., Забродская Ю.М., Тастанбеков М.М., Папаян Г.В. Результаты использования интраоперационного флюоресцентного контроля с хлорином Е6 при резекции глиальных опухолей головного мозга // Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко.— 2021. — Том 85, No.4. — С. 20–28. https://doi.org/10.17116/neiro20218504120.

41. Gonzales J, Hernández-Gil J, Wilson TC, Adilbay D, Cornejo M, de Souza Franca PD, Guru N, Schroeder CI, King GF, Lewis JS, Reiner T. Bimodal Imaging of Mouse Peripheral Nerves with Chlorin Tracers. Molecular Pharmaceutics. 2021; 18(3): 940–951. https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.0c00946

42. Рында А.Ю., Олюшин В.Е., Ростовцев Д.М., Забродская Ю.М., Папаян Г.В. Сравнительный анализ флуоресцентной навигации в хирургии злокачественных глиом с использованием 5-АЛА и хлорина Е6. Хирургия. Журнал им. Н. И. Пирогова. 2022;(1):5–14. https://doi.org/10.17116/hirurgia20220115