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(hù)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(jìn)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(duì)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(jìn)展，探討其成為臨床常規(guī)檢查方法的價(jià)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(xiàn)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(shí)現(xiàn)疾病診斷。它具有高特異度、高分析效率及對(duì)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(duì)低的成本提供實(shí)時(shí)分子信息和高分辨率成像，故成為診斷疾病、預(yù)后評(píng)價(jià)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(qiáng)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(gè)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(dòng)匹配時(shí)，在頻率ωas=2ωp-ωs處產(chǎn)生諧振增強(qiáng)的CARS信號(hào)。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(dòng)來對(duì)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(shí)間短及對(duì)生物樣品損傷小等優(yōu)點(diǎn)，已成功地用于識(shí)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(hào)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(shí)時(shí)生物信息，對(duì)諸如胃癌、膀胱癌等腫瘤的早期診斷有重要價(jià)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(duì)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(shí)降低因腫瘤切除不完全而復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。Tanahashi等[20]對(duì)血小板衍生生長因子B誘導(dǎo)的浸潤性膠質(zhì)瘤小鼠進(jìn)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(jìn)行對(duì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)腦腫瘤的在體拉曼測量，基于光譜信息，使得對(duì)大腦皮層和皮層下腫瘤細(xì)胞團(tuán)塊的定位能夠精確到大約250 μm。上述研究都證實(shí)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(shí)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(shí)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(xiǎn)的評(píng)估。骨拉曼光譜可用于評(píng)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(duì)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(jìn)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(duì)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(xiǎn)評(píng)估。

近年來，已報(bào)道了用于動(dòng)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(píng)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(shí)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(duì)象來實(shí)現(xiàn)拉曼光譜對(duì)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(duì)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(jìn)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(bào)道，但多為離體或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于眼特有的光學(xué)特性及解剖特點(diǎn)，使得對(duì)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(shí)間以確保安全。隨著更多眼部組織的拉曼光譜特征信號(hào)的提取，其為眼科疾病的發(fā)病機(jī)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(duì)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(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前者譜線725 cm-1，相對(duì)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，且增強(qiáng)部分來自腺嘌呤的貢獻(xiàn)，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(jī)制和臨床診斷提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

Sahu等[34]對(duì)44名嚴(yán)重程度不等的哮喘患者及15名正常人進(jìn)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(qiáng)均隨哮喘嚴(yán)重程度的增加而更顯著。Hobro等[35]對(duì)瘧疾患者血液進(jìn)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(shí)血液標(biāo)本具有易獲得、創(chuàng)傷小、可重復(fù)取樣等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，被廣泛用于膀胱癌、前列腺癌等疾病的研究[39]。同時(shí)，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(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，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(jiān)實(shí)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(shí)現(xiàn)更加實(shí)時(shí)、安全、有效的測量；有賴于統(tǒng)計(jì)模型的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速分析以協(xié)助診療。從近幾年的研究進(jìn)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(jìn)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(duì)體表組織(如皮膚、乳腺)和體內(nèi)臟器(如胃腸道、膀胱)的實(shí)時(shí)、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(diǎn)終將從實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目(YKK16285)

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