拉曼光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷中的研究進展

黃雯雅，金暉，劉璇，姜茜，吳巧，王曉燕

(1.東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬中大醫(yī)院 內(nèi)分泌科，江蘇 南京 210009；2.東南大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210009；3.東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 護理部，江蘇 南京 210009)

拉曼光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷中的研究進展

黃雯雅1,2，金暉1,2，劉璇2，姜茜1,2，吳巧1,2，王曉燕3

(1.東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬中大醫(yī)院 內(nèi)分泌科，江蘇 南京 210009；2.東南大學(xué) 醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京 210009；3.東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 護理部，江蘇 南京 210009)

拉曼光譜技術(shù)是一種通過光與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生的非彈性散射光來進行檢測的光學(xué)技術(shù)，可以提供細(xì)胞、組織或生物流體的化學(xué)指紋信息。隨著相關(guān)技術(shù)及光學(xué)儀器的發(fā)展，拉曼光譜在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的研究進展日新月異。作者概述了目前用于醫(yī)學(xué)診斷的幾種拉曼光譜技術(shù)，并以組織及生物流體為檢測對象分類，介紹拉曼光譜目前在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用及研究進展，探討其成為臨床常規(guī)檢查方法的價值及前景。

拉曼光譜技術(shù)； 醫(yī)學(xué)診斷； 組織； 生物流體； 文獻綜述

細(xì)胞或組織中可能引起疾病的生物化學(xué)變化可導(dǎo)致拉曼光譜的顯著改變。拉曼光譜可以在分子水平檢測這種生物化學(xué)變化，從而實現(xiàn)疾病診斷。它具有高特異度、高分析效率及對各種復(fù)雜樣品(如各種體液、組織)無需染色或標(biāo)記等特征，與其他成熟的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)(如超聲、磁共振成像等)相比，拉曼光譜能以相對低的成本提供實時分子信息和高分辨率成像，故成為診斷疾病、預(yù)后評價或新療法的工具。

1 用于醫(yī)學(xué)診斷的拉曼光譜技術(shù)

1.1 顯微拉曼光譜技術(shù)

1.2 表面增強拉曼光譜(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)技術(shù)

1.4 空間位移拉曼光譜(spatially offset Raman spectroscopy,SORS)技術(shù)

CARS通常采用兩個脈沖激光器，即頻率為ωp的泵浦光束和與樣品相互作用的頻率為ωs的斯托克斯光束。當(dāng)能量差ωp-ωs與樣品的分子振動匹配時，在頻率ωas=2ωp-ωs處產(chǎn)生諧振增強的CARS信號。CARS主要通過激發(fā)脂質(zhì)和蛋白質(zhì)中的碳?xì)滏I的伸縮振動來對細(xì)胞和組織成像，與普通拉曼光譜相比，CARS具有高能量轉(zhuǎn)換效率、曝光時間短及對生物樣品損傷小等優(yōu)點，已成功地用于識別切除的腫瘤。

1.6 光纖拉曼探針

拉曼光譜與光纖探針的有效結(jié)合，使其成為空腔臟器疾病的一種潛在的理想的診斷工具。用于活體檢測的拉曼探針需克服信噪比弱、光纖本身產(chǎn)生拉曼信號及光致發(fā)光等問題。盡管如此，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用仍越來越廣泛。將拉曼探針與內(nèi)鏡技術(shù)相結(jié)合，通過其提供的實時生物信息，對諸如胃癌、膀胱癌等腫瘤的早期診斷有重要價值。

2 拉曼光譜技術(shù)在疾病診斷中的應(yīng)用

2.1 以組織器官為檢測對象

許多腦腫瘤目前主要是通過CT掃描、磁共振成像及腦電圖等檢查初步診斷，再經(jīng)術(shù)后病理學(xué)檢查確診。術(shù)中須準(zhǔn)確區(qū)分腫瘤組織與正常組織，以避免損傷功能性腦結(jié)構(gòu)，同時降低因腫瘤切除不完全而復(fù)發(fā)的風(fēng)險。Tanahashi等[20]對血小板衍生生長因子B誘導(dǎo)的浸潤性膠質(zhì)瘤小鼠進行腫瘤細(xì)胞及組織的拉曼測量，并與正常小鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞及腦組織拉曼進行對比，得到歸屬于苯丙氨酸、脂質(zhì)、DNA和蛋白質(zhì)的膠質(zhì)瘤特征性拉曼譜峰。其區(qū)分膠質(zhì)瘤細(xì)胞的靈敏度和特異性分別為98.3%和75.0%，組織樣本診斷膠質(zhì)瘤的靈敏度和特異性分別為58.8%和76.4%。Kirsch等[21]通過將小鼠黑素瘤細(xì)胞注射到小鼠的頸動脈中誘導(dǎo)轉(zhuǎn)移性腦腫瘤，并采用光纖拉曼探針技術(shù)成功實現(xiàn)對腦腫瘤的在體拉曼測量，基于光譜信息，使得對大腦皮層和皮層下腫瘤細(xì)胞團塊的定位能夠精確到大約250 μm。上述研究都證實了拉曼光譜用于組織表征的能力及用作腦部疾病在體診斷、治療工具的潛力。腦作為人體最復(fù)雜及敏感的器官之一，決定了用于其疾病的診療工具需要具有更高分辨率，更短收集時間和更高精確度，這也是拉曼光譜技術(shù)今后需要不斷優(yōu)化的方向。

2.1.2 骨組織 拉曼光譜因具有識別骨組織中細(xì)微分子變化的能力，已用于骨關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松等疾病的早期診斷以及骨折風(fēng)險的評估。骨拉曼光譜可用于評估與骨質(zhì)量相關(guān)的骨組成參數(shù)，例如礦物質(zhì)與基質(zhì)的比例，碳酸鹽與磷酸鹽的比例，礦物結(jié)晶度和(或)膠原的成熟度。與傳統(tǒng)檢查手段如雙能X線、定量CT、核磁共振等相比，拉曼光譜能夠更早發(fā)現(xiàn)骨密度、骨結(jié)構(gòu)的改變。Mccreadie等[22]對發(fā)生過骨質(zhì)疏松性骨折婦女的股骨及髂嵴組織標(biāo)本進行拉曼檢測，獲得小梁骨及皮質(zhì)骨的化學(xué)組成信息，并與正常婦女作對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)骨折婦女的骨組織光譜具有更高的碳酸鹽/酰胺Ⅰ值及碳酸鹽/磷酸鹽值。因此，可以將拉曼光譜所反映的骨組織的化學(xué)成分用于骨質(zhì)疏松性骨折的風(fēng)險評估。

近年來，已報道了用于動物的在體骨拉曼光譜檢測[23]，但因其侵入性等原因尚未應(yīng)用于人體。Towler等[24]提出，將指甲拉曼光譜作為一種間接評估骨質(zhì)量的方法，人類指甲中的角蛋白和骨膠原蛋白的結(jié)構(gòu)完整性均需要硫酸化和二硫鍵形成來實現(xiàn)，研究結(jié)果顯示，與健康人相比，骨質(zhì)疏松患者指甲二硫化物含量顯著降低，提示可以通過轉(zhuǎn)換檢測對象來實現(xiàn)拉曼光譜對疾病的診斷。

2.1.4 眼 拉曼光譜在眼科領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在對角膜、晶狀體及視網(wǎng)膜的檢測。Bauer等[28]采用聚焦拉曼光譜技術(shù)首次成功獲得了人角膜組織的拉曼光譜圖。Ammar等[29]應(yīng)用CARS進行了角膜拉曼檢測，認(rèn)為該技術(shù)通過分析角膜的細(xì)胞數(shù)量及類型，可應(yīng)用于多種眼科疾病診治，如明確角膜炎病因(細(xì)菌性、真菌性、病毒性等)及損傷程度，更好地指導(dǎo)臨床用藥。也可用于角膜手術(shù)后觀察傷口愈合部位的細(xì)胞數(shù)量和代謝狀態(tài)。近年來，拉曼光譜在青光眼、白內(nèi)障、翼狀胬肉等疾病中的研究也有報道，但多為離體或動物實驗結(jié)果，由于眼特有的光學(xué)特性及解剖特點，使得對活體原位拉曼檢測技術(shù)的要求較其他部位更高，需嚴(yán)格控制激光能量及掃描時間以確保安全。隨著更多眼部組織的拉曼光譜特征信號的提取，其為眼科疾病的發(fā)病機制研究及臨床診治提供了新的線索，因此拉曼光譜在眼科領(lǐng)域擁有著廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 以生物流體為檢測對象

韓洪文等[33]將糖尿病及其并發(fā)癥患者的血清與正常人血清拉曼光譜進行對比發(fā)現(xiàn)，前者譜線725 cm-1，相對強度明顯增強，且增強部分來自腺嘌呤的貢獻，它與血糖水平無關(guān)，為研究糖尿病及其并發(fā)癥的生化機制和臨床診斷提供了新的實驗依據(jù)。

Sahu等[34]對44名嚴(yán)重程度不等的哮喘患者及15名正常人進行血液拉曼檢測，發(fā)現(xiàn)兩者間存在顯著差異，而且光譜中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化、DNA特異性譜帶的增寬及黏多糖特征峰的增強均隨哮喘嚴(yán)重程度的增加而更顯著。Hobro等[35]對瘧疾患者血液進行拉曼光譜檢測，通過血紅蛋白、血紅素等的光譜變化，可以在瘧原蟲感染早期明確診斷，比血涂片鏡檢更敏感。綜上所述，血液拉曼光譜已應(yīng)用于多種疾病檢測，而且其生物成分變化較組織更早、更敏感，同時血液標(biāo)本具有易獲得、創(chuàng)傷小、可重復(fù)取樣等優(yōu)點，在疾病篩查、診斷及病情監(jiān)測中極具優(yōu)越性。

2.2.3 尿液 尿液拉曼光譜檢測同樣以其標(biāo)本易獲取、無創(chuàng)等優(yōu)點，被廣泛用于膀胱癌、前列腺癌等疾病的研究[39]。同時，尿中各種物質(zhì)如蛋白、葡萄糖、肌酐等成分的變化可反映物質(zhì)代謝狀態(tài)及腎功能水平，提示其拉曼光譜檢測可能在全身代謝性疾病診治及腎功能監(jiān)測等方面具有廣闊的發(fā)展前景。

3 展 望

拉曼光譜技術(shù)所具有的非破壞性、無放射性、高分辨力、高度自動化等優(yōu)點，使其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用方興未艾，但要真正成為一種臨床常規(guī)診斷工具仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。這有賴于更多的基礎(chǔ)及臨床研究來提供堅實的理論依據(jù)及安全保障；有賴于儀器及技術(shù)本身的發(fā)展來實現(xiàn)更加實時、安全、有效的測量；有賴于統(tǒng)計模型的優(yōu)化來實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速分析以協(xié)助診療。從近幾年的研究進展來看，拉曼光譜技術(shù)已在醫(yī)學(xué)診斷方面取得了突破性的研究進展，包括了神經(jīng)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、泌尿生殖系統(tǒng)等全身各系統(tǒng)疾病。且隨著各種適合醫(yī)用的拉曼探針及拉曼光譜儀的問世，其對體表組織(如皮膚、乳腺)和體內(nèi)臟器(如胃腸道、膀胱)的實時、在體檢測也已取得部分成功。綜上所述，拉曼光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用重點終將從實驗研究轉(zhuǎn)向臨床常規(guī)診療。

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南京市醫(yī)學(xué)科技發(fā)展一般性課題資助項目(YKK16285)

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