拉曼光譜技術在癌癥診斷中的研究進展

劉文艷 潘 清 王 珂 謝 艷 沙 飛

拉曼光譜技術在癌癥診斷中的研究進展

劉文艷①潘 清①王 珂①謝 艷①沙 飛①

癌癥是世界上發病率和病死率最高的疾病之一，隨著生活方式的變化和社會老齡化，防治癌癥的任務將十分艱巨。早期診斷方法存在陽性率低、過度診斷及有創等缺點，不利于高危人群篩查及癌癥生存率的提高。拉曼光譜技術可以提供檢測樣本的分子結構特征，適合于癌癥的早期診斷，且具有快速、無創及高靈敏度的特點，正在成為一種新的癌癥診斷方法。通過介紹國內外拉曼光譜技術在癌癥診斷方面的研究進展，提出采用唾液表面增強拉曼檢測技術為癌癥的篩查和早期診斷提供新途徑的發展思路。

癌癥；早期診斷；拉曼光譜

[First-author’s address] School of Biomedical Engineering, Captial Medical University, Beijing 100069, China.

癌癥是威脅人類健康和生命的最主要疾病之一，人體的所有器官均有發生癌變的可能。每年全世界約有600萬人被癌癥奪去生命，在我國約150萬人死于癌癥。近年來，隨著醫學水平提高及醫療設備的不斷發展，仍不能夠對癌癥進行徹底治愈。臨床研究表明，癌癥的預后與早期發現、早期診斷和早期治療密切相關[1]。因此，癌癥的早期發現在臨床醫學上具有重要意義。目前，癌癥的常規診斷方法有醫學影像學檢查、腫瘤標志物檢測以及微創介入檢查等，但這些方法很難檢測癌變組織和細胞早期所發生的生化和分子結構異常，存在檢測陽性率低、耗時及過渡診斷等缺點，因此急需在臨床上研究一種方便快捷、無創、靈敏度和特異度高的診斷方法，以對高危人群進行篩查并在一定程度上控制腫瘤的發展及提高患者的生存率。近年來出現的拉曼光譜技術已經達到單分子檢測水平，可以作為一種有力的分析分子結構工具用來研究各類生命科學問題。

1 拉曼光譜與表面增強拉曼光譜

1928年印度物理學家拉曼(Raman)在實驗室觀測到拉曼效應。由于拉曼散射信號強度弱，相應降低了檢測物質的靈敏度。Brabec等[2]對光滑銀電極表面進行粗糙化處理后首次獲得高質量的拉曼光譜，這種與粗糙表面相關的表面增強效應，被稱為表面增強拉曼光譜(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)效應。SERS技術被發現后迅速在表面科學、分析科學和生物科學等領域得到了廣泛應用[3]。

2 SERS技術在生物醫學中的應用

由于SERS技術是一種痕量特征標記性物質檢測技術，達到了分子識別水平，非常適合于生命科學研究。從20世紀后半葉開始，國內外學者利用SERS技術針對人或動物的離體組織，包括人體皮膚、血液、眼睛、肺、胃、腸、宮頸和卵巢等離體的正常或異常組織開展研究，獲得了重要成果[4]。拉曼光譜能夠從分子水平反映組織生化的細微變化，具有無創、快速和精細如“指紋”的分辨能力，使拉曼光譜技術日益受到重視，在生物醫學研究和臨床診斷特別是早期癌癥的診斷中取得重大進展。目前，拉曼光譜技術已經應用于多種癌癥的診斷[5]。

2.1 對乳腺癌的診斷

乳腺癌是女性中最常見的惡性腫瘤，嚴重威脅著女性的健康和生命。為了快速地診斷乳腺癌，許多醫療機構進行了長期的相關研究。在20世紀90年代，Alfano等[6]測量了離體正常、良性和惡性胸部組織的拉曼光譜，并討論了利用拉曼光譜來區分正常和惡性胸部組織的可行性。研究發現，良性胸部組織的振動光譜表現出4個特征峰，分別在1078 cm-1、1300 cm-1、1445 cm-1和1651 cm-1。良性腫瘤有1240 cm-1、1445 cm-1和1659 cm-13個峰，而惡性腫瘤有1445 cm-1和1651cm-1兩個峰。正常組織中1445 cm-1和1651 cm-1的比值大于良性腫瘤，而小于惡性腫瘤。根據良性和惡性胸部組織拉曼光譜的對比分析，從分子水平探討引起乳腺癌變的生化機制，為實現乳腺癌診斷提供有力依據。

2.2 對宮頸癌的診斷

宮頸癌是最常見的女性生殖道惡性腫瘤，全球女性宮頸癌發病率僅次于乳腺癌居第二位。Liu等[7]利用FT-IR拉曼檢測各種婦科組織，在宮頸癌癥組織的拉曼光譜中，酰胺I伸展振動的1657 cm-1峰的強度要低于1445 cm-1處C-H彎曲振動的強度，同時酰胺III的1262 cm-1處的峰很寬。利用此規律可以根據一定的算法來診斷和預測早期宮頸癌。

2.3 對胃癌的診斷

凌曉峰等[8]用FT-Raman方法測定了胃癌組織和胃正常組織的光譜，結果表明與胃正常組織相比，癌變組織中蛋白質和核酸相對于脂類的含量有明顯增加。張京偉等[9]研究顯示，胃癌組織與胃正常黏膜組織間存在明顯光譜差異。在位于正常組織1585 cm-1的特征振動峰相對強度比癌變組織中明顯減弱，對照正常組織的1642 cm-1、1662 cm-1酰胺I雙峰和癌癥組織的1668 cm-1酰胺I單峰振動，可以區分兩種病例學形態組織，有望成為診斷胃癌的方法。

2.4 對肺癌的診斷

黃志偉等[10]對比正常支氣管組織和腫瘤組織的拉曼光譜變化，結果顯示二者的光譜有顯著的差別，在1445 cm-1與1655 cm-1處的拉曼光譜強度能很好的區分肺正常組織與癌組織。Yamazaki等[11]構建了新的近紅外多通道拉曼系統，并用此系統收集了210個肺癌組織和正常組織的拉曼光譜，其結果顯示此方法能有效地診斷肺癌。

2.5 對肝癌的診斷

楊文沛等[12]對單個肝癌細胞的拉曼光譜分析研究，利用激光鑷子拉曼光譜系統研究了人正常肝細胞和肝癌細胞的單細胞拉曼光譜。實驗結果顯示，正常細胞和癌細胞的平均拉曼光譜存在顯著差異；在1658 cm-1及1450 cm-1處兩類樣本譜線強度發生了改變，表明激光鑷子拉曼光譜是判斷正常肝細胞和肝癌細胞的有效方法。

2.6 對其他組織癌的診斷

姚輝璐等[13]利用激光鑷子拉曼光譜系統研究了鼻咽癌細胞株和正常人鼻咽部氣道上皮細胞株的單個細胞拉曼光譜，研究結果顯示，在1304 cm-1及1336 cm-1處兩類細胞的峰強比值有明顯變化。李蓉等[14]利用傅里葉變換拉曼光譜儀得到了甲狀腺癌和甲狀腺正常組織樣品的拉曼光譜。在甲狀腺正常組織的503 cm-1和758 cm-1處有兩個特征峰，分別對應C-I伸縮振動和苯環的環振動，這2個特征峰在甲狀腺癌的拉曼光譜中均消失。在甲狀腺正常組織的3062 cm-1和1003 cm-1處歸屬為酪氨酸的特征峰，在甲狀腺癌組織中這兩處峰強明顯降低。因此，拉曼光譜法有望成為甲狀腺癌診斷的有效方法。

3 SERS技術對唾液檢測的可行性

目前，國內外學者使用拉曼光譜技術對疾病早期診斷的研究集中在對病理切片、組織細胞及血液的檢測，并獲得重大進展，而利用人體唾液作為監測對象進行癌癥診斷，也已引起廣大研究人員關注。唾液是人體重要體液之一，包含大量的蛋白質和疾病指標的物質，通過對唾液成分的分析可以對許多疾病進行診斷[15]。1901年Michaels和Kick首次將唾液作為診斷疾病的檢查手段，其在臨床工作中作為疾病診斷標本方面的價值已受到廣泛重視[16-17]。國內外研究結果顯示，唾液的變化受人體各種病理生理因素的影響，可作為疾病診斷、療效判斷及藥物監測的參考指標，在疾病診治中具有潛在的應用價值[18]。隨著研究的深入，唾液檢測甚至有可能替代抽血化驗[19]。唾液中獨特、豐富的蛋白質成分毫無疑問是潛在的腫瘤及疾病的理想生物標記。由于唾液容易采集、對患者無侵入性、低成本運輸和儲藏以及唾液與血清之間的聯系使得唾液檢測正在成為一種重要的疾病診斷方法。

4 展望

人體唾液中含有大量體征相關的特異性蛋白質和分泌物質，唾液檢測具有無創、快速和適合開展大規模普查等優點，已經引起越來越多研究人員的關注。SERS技術具有簡便、測量條件要求低、可重復性好等優點。二者的結合有可能成為常規臨床檢測方法的輔助手段，甚至逐步取代血液檢測。這種檢測方法不僅應用于癌癥的早期診斷，對于吸毒人員的監測、出入境人員流行病的檢測防控、現代軍事局部戰爭和反恐戰爭等領域均具有廣闊的應用前景。

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The progress of Raman spectroscopy in cancer diagnosis

LIU Wen-yan, PAN Qing,WANG Ke, et al// China Medical Equipment,2015,12(1):81-83.

Cancer is one of the diseases with highest incidence and mortality in the world, with the change of life style and the aging society, the task of prevention and treatment of cancer will be very difficult. The early diagnosis methods have the low positive rate, excessive diagnosis, invasive and other shortcomings, which is not conducive to the high-risk population screening and to improve the survival rate of cancer patients. Raman spectroscopy can provide the molecular structure characteristics of the test sample. It is very suitable for the early diagnosis of cancer. Raman spectrum detection technology, rapid, noninvasive and high sensitivity, is becoming a new method for cancer diagnosis. It mainly introduces the progress of Raman spectroscopy in cancer diagnosis and offers the new trends and the developing way for early diagnosis of cancer on saliva surface enhanced Raman spectroscopy technology.

Cancer; Early diagnosis; Raman spectroscopy

劉文艷,女,(1977- ),本科學歷，實驗師。首都醫科大學生物醫學工程學院計算機實驗室，從事計算機實驗輔助教學和管理工作。

1672-8270(2015)01-0081-03

R730.4

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.026

2014-04-04

①首都醫科大學生物醫學工程學院計算機實驗室 北京 100069