神经外科诊疗新技术与研究的最新进展2023.docx

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1、神经外科诊疗新技术与研究的最新进展2023摘要神经外科领域临床需求的快速增长推动了技术的不断创新迭代,从精细手术到个体医疗,从分子可视化到数字智能化,从延长患者生存时间到恢复神经功能,不断涌现的新发现、新知识、新技术和新器械拓宽了诊疗窗口,提升了治疗效能,也给神经外科医师带来了机遇与挑战。本文从神经影像、神经导航、机器人手术辅助系统等新技术的应用出发,围绕中枢神经系统肿瘤、脑血管病外科治疗、功能神经外科、神经损伤与神经修复等多个亚专科的实际临床问题,详细总结了影像技术创新应用、精细手术发展、个体化神经功能替代治疗及多维信息数字化等研究热点,并对未来研究方向进行展望。神经外科是通过手术治疗神经系

2、统疾病的重要学科。科学技术的进步拓宽了神经外科的诊疗窗口,提升了诊治效能。我们结合国内外文献和既往临床与科研经验,从神经影像、神经导航与机器人手术辅助系统等新技术的应用出发,围绕中枢神经系统肿瘤,脑血管病外科治疗,功能神经外科,神经损伤与神经修复等多个亚专科的实际临床问题,详细总结了影像技术的创新应用、手术精细化发展、个体化神经功能替代治疗及多维信息数字化等研究热点,并对未来研究方向进行展望。一、神经外科诊疗新技术(一)神经影像技术脑部结构与功能靶点可视化是神经外科疾病治疗决策的关键1L在择期手术方面,以MRI为代表的影像学技术正向高时空分辨率和人工智能计算后处理方向不断突破,如高场强7T-M

3、RI可进行更清晰的血管成像和病灶检测2,3;高场强MRI与功能MRI相结合实现了电生理空间分辨率的扩展和认知模型的解析4;新型线性扫描方法实现了神经元活动空间定位与毫秒级成像5;深度神经网络计算可解析脑功能环路与关键节点6,70在急诊手术和重症监护方面,低场强(0.2T)便携式MRI系统为急性脑病变的检测提供了可能。便携式MRI系统具有高性能、低成本、可移动、智能化的特点,与计算影像学相结合,可清晰显示脑部结构,对缺血、白灰质病变和轴外出血等疾病的诊断灵敏度高80目前,我国基层医疗设备配置水平差距较大,便携式MRI系统可助力基层医疗机构完善急性脑病变的早诊早治,提升基本医疗卫生服务水平。此外,

4、新型PET探针、激光、超声、近红外等技术在临床广泛应用9J0z如利用实时功能超声成像监测新生儿癫痫发作脑活动状态11,应用靶向氨基酸转运体区分胶质瘤类型以辅助术前规划12,F-DOPA探针用于评估帕金森病患者多巴胺能神经元功能13,使用颅光刺激技术改善脑认知障碍并提升个体工作记忆等14z15o靶向酶、细胞内信号分子、基因突变位点、离子通道等多维度的可视化位点,在疾病诊断、手术和综合治疗全流程中有不可替代的作用16o(二)神经导航和机器人手术辅助系统神经外科手术对精确度和安全性要求极高。神经导航突破了传统肉眼观察解剖标志的局限,可实时将患者与器械的空间位置相对应,在神经外科手术中被广泛应用18L

5、但目前导航技术仍存在一些局限,如功能区判定、配准误差、脑移位、器械跟踪误差和与用户交互不足等18o国内外多个团队已开展围手术期和术中脑功能定位图谱的研究19,20,建立了弥散功能成像、直流电刺激、正中神经电刺激诱发被动脑电响应等多种定位方法,为个体化定位提供可能。通过多模态导航手术,配合术中神经电生理监测、术中唤醒等技术可更好地对患者的大脑功能区进行保护21o机器人手术辅助系统是医工结合的又一转化成果。神经外科机器人手术辅助系统可用于深部电极植入、脑组织活检、卢页内异物穿刺、核团损毁和辅助介入等22o与传统显微操作相比,机器人辅助具有角度操作大、操作精准性高、术者疲劳感低及可远程操作等优势23

6、o全国多家医院的神经外科医师在机器人辅助下完成了难治性癫痫患者的立体定向脑电图电极植入,其平均轴向绝对误差低于1mm24,精准度高于传统方法25L此外,介入治疗辅助机器人系统具有可自动化操作、手术时间短、安全性高和电离辐射暴露风险低等诸多优点,已应用于脑血管造影、颅内动脉瘤栓塞、颈动脉支架植入和鼻出血栓塞等多种术式,具有良好的发展前景。未来,机器人手术辅助技术应往精准导航、敏感力反馈、丰富软件支持、快速器械切换等方面深入发展,并结合人工智能优化导航及机器人辅助效率,提升手术质量,扩展机器人辅助手术的适应证。(三)数字神经外科患者信息数字化是实现精准医疗的重要保障。在生物标志物数字化方面,广义的

7、数字标志物包括了患者的临床特征、影像学检查结果、基因数据和疾病标志物等信息。建立匹配的数据收集模式和云储存办法可降低患者就医成本,提高异地治疗同质性。同时,随着液体活检、分子显像、蛋白组学测序等新型检测技术的发展,扩展数字标志物采集办法,建立大型真实世界数据库并挖掘新型疾病诊疗靶点是未来重要方向。在数字模拟方面,虚拟现实技术可让医师进行模拟手术,增强现实系统可将患者脑部全息图像投射到医师端头戴式显示器,以进行仿真培训。元宇宙平台是承载虚拟活动的平台,人工智能医学影像分割与云建模、远程协作与教学、全息可视化医患沟通、高精度轻便定位导航等元宇宙关键医疗技术的研发,可形成神经外科元宇宙应用范式,赋予

8、医师透视眼。混合现实设备不仅便携、操作简单,其系统价格也远低于术中导航设备,大大减轻了基层医院经济负担和医师操作难度。数字化神经外科有望拉近各方距离,实现了多场景、多功能与使用成本的有效平衡,为神经外科手术提供精准和个性化的指导。二、各亚专科的诊疗新进展(一)中枢神经系统肿瘤诊疗新进展我国中枢神经系统肿瘤的发病率和死亡率均在较高水平26,疾病诊疗仍面临巨大挑战。组织学形态相同的中枢神经系统肿瘤往往生物学特征不同,同病不同命是既往神经肿瘤患者的普遍特点。第5版WHO中枢神经系统肿瘤分级系统首次纳入基因、分子和通路改变等特征,结合病理学特征对神经肿瘤进行了重新分级和定义。细化的肿瘤分类可帮助临床医

9、师建立完善的诊断标准和精准的治疗策略。国内学者研发了可于术中使用的基于小型质谱仪器的异柠檬酸脱氢酶isocitratedehydrogenasezIDH)突变检测试剂盒,1.5min内即可获得检测结果27;LU等28报告了全球最大样本量的术中电刺激语言皮质功能图谱;Zhao等29开发了超2000例的胶质瘤功能基因组学数据库。国外团队近期通过纳米孔甲基化测序和机器学习算法,实现了低成本术中神经肿瘤分类,诊断时间小于90min,可协助神经外科医师进行手术决策。基于现有研究成果,对于分子分型中预后较好的肿瘤,可采取术中快速鉴别诊断、常规手术切除;对于分子分型中预后较差的肿瘤,可采取新型分子可视化方法

10、,在保留关键脑结构和脑网络映射的基础上,实现肿瘤最大程度切除。1 .肿瘤分子可视化:特异性分子探针有望提高各种类型神经肿瘤的检出率,准确预测治疗效果、监测复发。以垂体腺瘤治疗为例,生长抑素受体显像、多巴胺受体显像,以及IIC-蛋氨酸、18F-氟代乙基酪氨酸等分子显像剂的应用,能在判断功能性微腺瘤术后肿瘤残留或复发的同时,预测药物治疗反应30,310新型可视化方法亦重新定义了浸润性生长肿瘤的生长环境,如高分子聚合物构建的荧光分子探针可实现肿瘤缺氧酸性环境的300倍放大响应成像32;快速、无创的水通道蛋白4高分辨磁共振成像能有效进行全肿瘤扫描,并预测其放化疗敏感性33;MRI/拉曼双模态PH响应探

11、针可勾勒胶质瘤酸性代谢边界”在术中及时消除隐匿性病俎34,相关技术有待进一步在临床大规模推广。2 .新兴治疗方法的探索:免疫治疗和靶向治疗等在中枢神经系统肿瘤中具有很强的应用前景。目前,关于免疫检查点抑制剂治疗胶质瘤的相关研究取得了实质性进展,三项围绕PD-1单克隆抗体展开的临床试验(CheckMate-143xCheCkMate-498、CheckMate-548)结果均未达到预期35o改变给药策略并在新辅助治疗中使用PD-1抗体可能是延长复发胶质母细胞瘤患者生存期的办法36o尽管免疫检查点抑制剂可一定程度增强T细胞作用,但无法逆转免疫衰竭37L作为主动免疫疗法,溶瘤病毒可改变肿瘤免疫微环境

12、。溶瘤疱疹病毒一期临床试验CAN-3110的结果表明,病灶内注射溶瘤疱疹病毒能增强复发胶质母细胞瘤患者的免疫浸润,疱疹病毒1血清阳性患者的中位总生存期为14.2个月,与T细胞浸润增加密切相关。针对EGFRvfflxHER2和IL-13R2三种抗原的嵌合抗原受体细胞疗法的临床试验结果证实,该疗法安全、可行,是一种潜在有效的方法38,39,40o然而由于肿瘤存在异质性和抗原缺失等问题,该疗法在神经系统肿瘤中的应用仍面临挑战。如何强化免疫治疗效果且不引起免疫因子风暴是免疫治疗的重点。基于表皮生长因子受体VIn的疫苗治疗胶质母细胞瘤的二期临床试验结果满意,但在三期临床试验中未达到预期效果41,42,4

13、3L与细胞疗法面临的挑战类似,复发肿瘤的免疫逃逸特征是疫苗治疗期间亟待解决的问题。多项研究结果表明,免疫抑制性巨噬细胞是导致T细胞反应减弱的重要干扰因素44o因此,必须进一步了解脑肿瘤内的免疫微环境,开发新技术以筛选肿瘤或免疫抑制细胞的抗原位点,减少抗原丢失,延缓免疫细胞衰竭。新型靶向药在部分中枢神经系统肿瘤的治疗中取得了良好的颅内控制效果。对2级胶质瘤患者IDH1/2突变的靶向口服药物Vorasidenib可明显延长患者无进展生存期和放化疗干预时间45,这也是近20年来低级别胶质瘤治疗的重大突破;靶向IDH野生型复发胶质瘤中融合基因PTPRZ1-MET的小分子抑制剂伯瑞替尼,已完成一至三期临

14、床试验460同时,有学者在胶质瘤中发现了突触结构和间隙连接,能唤起持久的去极化电流和电网络反应。这种级联电反应最终会促进细胞的侵袭和有丝分裂。对此,经颅电场或磁场可能是切断该联系的重要方法。EF-14试验结果表明,与单独使用替莫嘤胺相比,肿瘤电场治疗联合替莫嗖胺维持治疗可提高新诊断的胶质母细胞瘤患者的生存期(20.9个月比16.0个月)470电场治疗能向肿瘤区域提供低强度(13V/cm中等频率(100300kHz)的额外电流,这种交替电流不会影响神经活动,而会阻碍癌细胞的有丝分裂。微管是神经元与胶质瘤沟通的重要结构,电场治疗可破坏微管的形成48,49o电场治疗还会诱导肿瘤细胞释放更多的微核,导

15、致免疫通路cGAS/STING的激活50o靶向肿瘤神经生物特征可能是治疗肿瘤的重要方法。在难治性三膜瘤中,NF1/2、AKT1、VEGFVEGFR2sBRAF等分子靶点对靶向治疗具有重要意义51o部分复杂和难治性肿瘤尚缺乏关键治疗靶点和较公认的动物模型,利用基因编辑技术建立体细胞突变细胞系、培养全仿真类器官肿瘤模型等方法,可建立更贴近真实情况的模型,指导制定神经肿瘤临床治疗策略及判断预后52,531类器官模型的构建和筛选,能准确预测肿瘤对嵌合抗原受体T细胞免疫疗法、表皮生长因子受体靶向治疗的反应。未来类器官模型应更加注重神经元、免疫细胞等微环境相互作用关系模拟,辅助新靶点开发。随着放疗技术的不

16、断发展进步,质子重离子治疗、螺旋断层放疗等技术的应用也日益广泛,如何应用不同技术优势,在保护正常脑组织及神经功能情况下细化全身和局部的治疗策略,值得深入探索。(二)脑血管病的外科治疗新进展心脑血管疾病的发病率高,在全球范围造成了沉重的医疗负担54o颅内动脉瘤、脑血管畸形、烟雾病、非创伤性脑出血等是脑血管病外科诊治的主要范畴,其进展主要为以下三方面:手术微创化、诊疗复合化、治疗个体化。在手术微创化治疗方面,动脉瘤锁孔入路、神经内镜清除血肿、急诊介入机械取栓等微创手术可通过较小的创伤,在保证患者安全性和治疗有效性的基础上,缩短恢复期。颅内动脉瘤血管内治疗的方法从瘤囊内填塞转向血管壁重建,通过网状植

17、入物使动脉瘤内血液阻滞淤积并进一步闭塞。通过高分辨黑血磁共振可对脑动脉瘤的不同强化信号分类,准确预测脑动脉瘤破裂风险55o多组学分析、血清标志物质谱筛选、流体力学模型和立体打印技术等能帮助医师于术前明确动脉瘤及载瘤动脉的瘤壁类型、血流动力学特点等,从而制定个体化方案56o在诊疗复合化方面,传统显微外科治疗对复杂脑血管病而言效果并不理想。复合手术将显微外科手术和血管内介入治疗相结合,在治疗脑动脉瘤和动静脉畸形中能更好保护患者神经功能57o同时,心脑血管疾病存在共发表现,以脑心同治理念创建的同质性联合学科,以脑、心两个重要器官的血管疾病为核心,整体评估患者全身血管状态,培养复合型医学人才,是临床医

18、学面临的新机遇。(三)功能神经外科的诊疗新进展功能神经外科是通过外科手段改变和重建关键致病环路的新兴学科。对于疾病的致病机制和调控手段的研究极大促进了功能神经外科发展。1.癫痫:定位和手术切除致痫灶可使50%的药物难治性癫痫患者的发作得到控制或治愈,但这一治愈比例并不理想。癫痫灶定位、异常脑电(如高频振荡)自动识别、异常环路调控是癫痫治疗的重要研究方向。在癫痫灶定位方面,癫痫反复发作会导致整个大脑网络的重组58,立体定向脑电图具有更高的时空分辨率以及深部定位的优势,MRIxPET-CTxSPECT等可从多个层面对癫痫灶评估进行补充。结合影像学的新型评估技术(如PET-MRl融合、基于体素的形态

19、学分析、脑电-功能磁共振等)可提高对影像学阴性患者定位诊断的灵敏度。除切除癫痫病灶这一主要手段外,神经调控技术和非切除性手术方法也是治疗的重要补充。神经调控技术的典型代表是迷走神经刺激、丘脑前核深部脑刺激和闭环反应性神经刺激,非切除性手段主要包括立体定向组织毁损治疗。目前使用神经调控治疗癫痫主要起缓解作用,只有少数患者在治疗后12个月内可完全避免癫痫发彳何59o神经调控对于多灶性、全面性、致痫灶无法切除的癫痫患者是一项重要的补充治疗手段,未来应在病因异质性、刺激参数优化、挖掘预测疗法反应的生物标志物等方面进一步深入研究。2.神经退行性疾病:神经退行性疾病包括阿尔茨海默病和运动障碍性疾病等。运动

20、障碍性疾病源于基底核功能紊乱,以帕金森病为典型。脑深部电极植入术在治疗此类疾病中具有创伤小、可调节、安全性好等特点。目前对脑深部电极植入术(deepbrainstimulation,DBS)的具体刺激亚区和参数尚无绝对定论,不同核团刺激对于治疗效果影响不同:丘脑底核是首选靶点,能有效控制运动症状,占国内的95%以上;苍白球内侧部刺激能有效改善关期状态的僵直、运动过缓以及开期的异动症,但在症状控制的全面性方面不如丘脑底核;丘脑腹中间内侧核刺激能有效抑制震颤,但对僵直和运动徐缓效果欠佳。丘脑腹中间内侧核刺激是治疗特发性震颤的重要靶点,术后1年平均改善率为66%,10年后为48%60o因此,如何细化

21、刺激亚区和明确刺激程序组合是DBS治疗运动障碍性疾病的关键。在对阿尔茨海默病的相关研究中,伽马频率神经调节可减少小鼠脑皮层中淀粉样斑块产生,促进小胶质细胞清除能力,其二期临床试验正在进行中。经皮耳穴电刺激治疗轻度认知障碍患者具有一定有效性,可在一个月内改善病患者的运动和认知功能610二期临床试验结果表明,穹窿部电极植入治疗可一定程度改善患者记忆,减缓认知能力衰退62o止匕外,在内嗅皮层和Meynert基底核电极植入也被证明对改善病患者的记忆力有益63o神经调控在神经退行性疾病中的应用具有重要前景。3 .精神疾病与顽固性疼痛:目前,DBS已成为治疗强迫症、抑郁症、抽动秽语综合征、神经性厌食症、毒

22、品成瘾和其他难治性精神疾病的新疗液64z65,66o强迫症是唯一经美国食品药品监督管理局批准的可使用DBS治疗的精神疾病。虽然有研究结果表明,DBS对耐药的重度抑郁症和双相抑郁症患者有效64,但大样本临床研究结果显示,刺激组和非刺激组患者疗效的差异无统计学意义65,其原因可能与靶点不明确有关。我国学者报道了双侧脑弓状核DBS植入和双侧前囊切开治疗毒品成瘾,取得了一定效果670脊髓电刺激可在一定程度上缓解幻肢痛、残肢痛、脊髓损伤后疼痛、顽固性疼痛、带状疱疹后神经痛等顽固性疼痛68o精神神经外科应参照指南构建规范化的治疗团队、患者纳入标准及治疗和随访流程,采用多学科方法进行疾病诊断和患者管理。4

23、.颅神经疾病:微血管减压术是治疗颅神经疾病的重要创新技术之一,用于治疗与血管相关的各种颅神经压迫(三叉神经痛、面肌痉挛、舌咽神经痛等)。使用脑干听觉诱发电位和肌电图进行术中电生理监测可降低术后听力损失、面瘫、发音障碍和吞咽困难的发生率69;用于治疗因耳蜗前庭神经受到动脉压迫而导致的眩晕和耳鸣也具有一定效果70O术中责任血管的准确识别依赖于术者的经验和规范化操作,未来应提高手术疗效、降低其并发症发生率。(四)神经损伤与神经修复外科新进展神经损伤后的治疗是临床难点。目前已发现多种以神经元、白质、胶质细胞、血脑屏障、肠道菌群为靶点的神经保护和损伤修复新策略,利用多种手段改善创伤后引发的兴奋性神经毒性

24、、氧化应激、炎症反应等系列过程71z720在诊断方面,创伤后短时间内血液中胶质纤维酸性蛋白水平,可用于区分存在可疑神经损伤的患者73;患者血液tau蛋白水平可与创伤后远期认知能力水平相关74;肠道菌群中厚壁菌门与拟杆菌门比例的降低,与行为功能缺陷相关75;多模态神经影像根据大脑皮层厚度和白质完整性可判断患者创伤后认知能力和情绪状态76o在治疗方面,亚低温治疗可抑制炎症反应、降低代谢需求,从而保护神经元77;抑制PSD-95蛋白可阻断N-甲基-D-天冬氨酸受体介导的神经元死亡信号,减少患者神经功能缺损78o然而,大量神经保护剂进入临床试验后都缺乏良好的保护效果,究其原因与其保护机制单一、长期疗效

25、缺乏、不良反应大相关。因此,神经保护剂的开发要着重从更完善的动物模型、更全面的保护机制和更长治疗时间窗这三方面进行深入研究。对于已发生神经功能损伤的患者,寻找促进神经轴突再生方法、干细胞治疗和脑机接口替代治疗是改善患者神经功能的重要方法。在神经轴突再生方面,脊髓损伤部位注射多种细胞生长因子,可使断裂神经元建立部分具有电信号的连接79;定向诱导胸脊髓神经元向腰部脊髓的自然靶区再生投射,可使完全脊髓损伤小鼠的运动功能有实质性的恢复80O在干细胞治疗方面神经元-星形胶质细胞共培养可诱导多能干细胞转化为功能性中枢神经系统神经元,移植后能部分恢复脊髓损伤小鼠模型的感觉和运动功能81;神经元-血管共培养可

26、诱导人胚胎干细胞转化为多样性的皮层神经元,移植后可促进缺血性中风大鼠模型的功能恢复82o在脑机接口方面,功能电刺激系统可解码患者脑电信号,控制四肢电刺激装置并实现手部运动恢复83o虚拟现实系统可解码截肢患者残余肌肉的电信号,控制虚拟现实中的假肢运动,在减轻幻肢痛的同时增强假肢拥有感84;结合语音合成器系统可解码失语症患者大脑皮层活动,合成目的语言内容并恢复交流能力85o不断涌现的研究进展为未来个体化神经替代治疗奠定了基础。三、总结新技术和新理念为神经外科带来了新的机遇和挑战。一方面,新技术为我们提供了更多信息和选择,帮助优化手术方案,提高专业水平和服务质量;另一方面,也督促我们不断更新知识和技

27、能库,打下扎实的基本功,以适应新的变化和需求。大脑是宇宙中最神秘的星际,神经外科医师是探索其未知领域的宇航员。我们正在见证和参与巨大的技术变革,书写中国神经外科的未来。参考文献(I)BartheIemyEJ,ParkKBrJohnsonW.NeurosurgeryandsustainabledevelopmentgoalsJ.WorldNeurosurg12018,120:143-152.DOI:10.1016j.wneu.2018.08.070.2RutlandJW,DeImanBN1GiIICM1etal.Emerginguseofultra-high-field7TMRIinthestu

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