拉曼光譜技術(shù)在癌癥診斷中的研究進(jìn)展

劉文艷 潘 清 王 珂 謝 艷 沙 飛

拉曼光譜技術(shù)在癌癥診斷中的研究進(jìn)展

劉文艷①潘 清①王 珂①謝 艷①沙 飛①

癌癥是世界上發(fā)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(wù)將十分艱巨。早期診斷方法存在陽性率低、過度診斷及有創(chuàng)等缺點(diǎn)，不利于高危人群篩查及癌癥生存率的提高。拉曼光譜技術(shù)可以提供檢測樣本的分子結(jié)構(gòu)特征，適合于癌癥的早期診斷，且具有快速、無創(chuàng)及高靈敏度的特點(diǎn)，正在成為一種新的癌癥診斷方法。通過介紹國內(nèi)外拉曼光譜技術(shù)在癌癥診斷方面的研究進(jìn)展，提出采用唾液表面增強(qiáng)拉曼檢測技術(shù)為癌癥的篩查和早期診斷提供新途徑的發(fā)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(fā)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(yī)學(xué)水平提高及醫(yī)療設(shè)備的不斷發(fā)展，仍不能夠?qū)Π┌Y進(jìn)行徹底治愈。臨床研究表明，癌癥的預(yù)后與早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷和早期治療密切相關(guān)[1]。因此，癌癥的早期發(fā)現(xiàn)在臨床醫(yī)學(xué)上具有重要意義。目前，癌癥的常規(guī)診斷方法有醫(yī)學(xué)影像學(xué)檢查、腫瘤標(biāo)志物檢測以及微創(chuàng)介入檢查等，但這些方法很難檢測癌變組織和細(xì)胞早期所發(fā)生的生化和分子結(jié)構(gòu)異常，存在檢測陽性率低、耗時(shí)及過渡診斷等缺點(diǎn)，因此急需在臨床上研究一種方便快捷、無創(chuàng)、靈敏度和特異度高的診斷方法，以對高危人群進(jìn)行篩查并在一定程度上控制腫瘤的發(fā)展及提高患者的生存率。近年來出現(xiàn)的拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)達(dá)到單分子檢測水平，可以作為一種有力的分析分子結(jié)構(gòu)工具用來研究各類生命科學(xué)問題。

1 拉曼光譜與表面增強(qiáng)拉曼光譜

1928年印度物理學(xué)家拉曼(Raman)在實(shí)驗(yàn)室觀測到拉曼效應(yīng)。由于拉曼散射信號強(qiáng)度弱，相應(yīng)降低了檢測物質(zhì)的靈敏度。Brabec等[2]對光滑銀電極表面進(jìn)行粗糙化處理后首次獲得高質(zhì)量的拉曼光譜，這種與粗糙表面相關(guān)的表面增強(qiáng)效應(yīng)，被稱為表面增強(qiáng)拉曼光譜(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)效應(yīng)。SERS技術(shù)被發(fā)現(xiàn)后迅速在表面科學(xué)、分析科學(xué)和生物科學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。

2 SERS技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

由于SERS技術(shù)是一種痕量特征標(biāo)記性物質(zhì)檢測技術(shù)，達(dá)到了分子識別水平，非常適合于生命科學(xué)研究。從20世紀(jì)后半葉開始，國內(nèi)外學(xué)者利用SERS技術(shù)針對人或動(dòng)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?；虍惓＝M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(xì)微變化，具有無創(chuàng)、快速和精細(xì)如“指紋”的分辨能力，使拉曼光譜技術(shù)日益受到重視，在生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷特別是早期癌癥的診斷中取得重大進(jìn)展。目前，拉曼光譜技術(shù)已經(jīng)應(yīng)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(yán)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(yī)療機(jī)構(gòu)進(jìn)行了長期的相關(guān)研究。在20世紀(jì)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(qū)分正常和惡性胸部組織的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，良性胸部組織的振動(dòng)光譜表現(xiàn)出4個(gè)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(gè)峰，而惡性腫瘤有1445 cm-1和1651cm-1兩個(gè)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(jù)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(jī)制，為實(shí)現(xiàn)乳腺癌診斷提供有力依據(jù)。

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(fā)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(dòng)的1657 cm-1峰的強(qiáng)度要低于1445 cm-1處C-H彎曲振動(dòng)的強(qiáng)度，同時(shí)酰胺III的1262 cm-1處的峰很寬。利用此規(guī)律可以根據(jù)一定的算法來診斷和預(yù)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(jié)果表明與胃正常組織相比，癌變組織中蛋白質(zhì)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(dòng)峰相對強(qiáng)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(dòng)，可以區(qū)分兩種病例學(xué)形態(tài)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(jié)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(qiáng)度能很好的區(qū)分肺正常組織與癌組織。Yamazaki等[11]構(gòu)建了新的近紅外多通道拉曼系統(tǒng)，并用此系統(tǒng)收集了210個(gè)肺癌組織和正常組織的拉曼光譜，其結(jié)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(gè)肝癌細(xì)胞的拉曼光譜分析研究，利用激光鑷子拉曼光譜系統(tǒng)研究了人正常肝細(xì)胞和肝癌細(xì)胞的單細(xì)胞拉曼光譜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，正常細(xì)胞和癌細(xì)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(qiáng)度發(fā)生了改變，表明激光鑷子拉曼光譜是判斷正常肝細(xì)胞和肝癌細(xì)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(tǒng)研究了鼻咽癌細(xì)胞株和正常人鼻咽部氣道上皮細(xì)胞株的單個(gè)細(xì)胞拉曼光譜，研究結(jié)果顯示，在1304 cm-1及1336 cm-1處兩類細(xì)胞的峰強(qiáng)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(gè)特征峰，分別對應(yīng)C-I伸縮振動(dòng)和苯環(huán)的環(huán)振動(dòng)，這2個(gè)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(qiáng)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(shù)對唾液檢測的可行性

目前，國內(nèi)外學(xué)者使用拉曼光譜技術(shù)對疾病早期診斷的研究集中在對病理切片、組織細(xì)胞及血液的檢測，并獲得重大進(jìn)展，而利用人體唾液作為監(jiān)測對象進(jìn)行癌癥診斷，也已引起廣大研究人員關(guān)注。唾液是人體重要體液之一，包含大量的蛋白質(zhì)和疾病指標(biāo)的物質(zhì)，通過對唾液成分的分析可以對許多疾病進(jìn)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(biāo)本方面的價(jià)值已受到廣泛重視[16-17]。國內(nèi)外研究結(jié)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(jiān)測的參考指標(biāo)，在疾病診治中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[18]。隨著研究的深入，唾液檢測甚至有可能替代抽血化驗(yàn)[19]。唾液中獨(dú)特、豐富的蛋白質(zhì)成分毫無疑問是潛在的腫瘤及疾病的理想生物標(biāo)記。由于唾液容易采集、對患者無侵入性、低成本運(yùn)輸和儲藏以及唾液與血清之間的聯(lián)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(guān)的特異性蛋白質(zhì)和分泌物質(zhì)，唾液檢測具有無創(chuàng)、快速和適合開展大規(guī)模普查等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起越來越多研究人員的關(guān)注。SERS技術(shù)具有簡便、測量條件要求低、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。二者的結(jié)合有可能成為常規(guī)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(yīng)用于癌癥的早期診斷，對于吸毒人員的監(jiān)測、出入境人員流行病的檢測防控、現(xiàn)代軍事局部戰(zhàn)爭和反恐戰(zhàn)爭等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]楊拴盈.肺癌早期診斷的現(xiàn)狀、困惑和希望[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2011，32(1)：1-5.

[2]Brabec V，Niki K.Raman scattering from nucleic acids adsorbed at a silver electrode[J]. Biophys Chem，1985，23(1-2)：63-70.

[3]任斌，田中群.表面增強(qiáng)拉曼光譜的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代儀器，2004，10(5)：1-8.

[4]陳榮，李永增，馮尚源，等.人體組織拉曼光譜研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2008(1)：16-23.

[5]汪兆平，韓和相.拉曼光譜在癌癥診斷中的應(yīng)用[J].光散射學(xué)報(bào)，1999，11(4)：398-405.

[6]Gniadecka M，Wulf HC，Mortensen NM，et al. ICORS'98 ed.By Heyns AM[M].Chichester：John Wiley Sons，1998：764-768.

[7]Liu CH，Das BB，Sha Glassman WL，et al.Raman fluorescence，and time-resolved light scattering as optical techniques to separate diseased and normal biomedical media[J].J Photochem Photobiol B，1992，16(2)：187-209.

[8]凌曉峰，吳瑾光.胃癌組織的拉曼光譜初探[J].光譜學(xué)與光譜分析，2000，20(5)：692-693.

[9]張京偉，沈愛國，魏蕓，等.胃癌和胃正常黏膜拉曼光譜檢測[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2004，21(6)：910-912.

[10]Huang Z，McWilliams A，Lui H，et al.Nearinfrared Raman spectroscopy for optical diagnosis of lung cancer[J].Int J Cancer，2003，107(6)：1047-1052.

[11]Yamazaki H，Kaminaka S，Kohda E，et al.The diagnosis of lung cancer using 1064nm excited near-infrared multichannel raman specteoscopy[J].Radial Med，2003，21(1)：1-6.

[12]楊文沛，姚輝璐，朱淼，等.單個(gè)肝癌細(xì)胞的拉曼光譜分析研究[J].激光與紅外，2007，37(9)：824-829.

[13]姚輝璐，朱淼，王桂文，等.單個(gè)鼻咽癌細(xì)胞的拉曼光譜分析的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2007，27(9)：1761-1764.

[14]李蓉，周光明，彭紅軍，等.甲狀腺癌組織的傅里葉變換拉曼光譜研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2006，26(10)：1868-1870.

[15]Fitzmaurice M，Haka AA，Volynskaya Z，et al.Raman spectroscopy：development of clinincal applications for breast cancer diagnosis[J]. SPIE，2005，1：58-62.

[16]Streckfus CF，Bigler LR.Saliva as a diagnostic fluid[J].Oral Dis，2002，8(2)：69-76.

[17]De Giovanni N，F(xiàn)ucci N，Chiarotti M，et al.Cozart Rapiscan system：our experience with saliva tests[J].J Chromatogr B Analyt Technol Biomed Life Sci，2002，773(1)：1-6.

[18]Yan W，Apweiler R，Balgley BM，et al.Systematic comparison of the human saliva and plasma proteomes[J].Proteomics Clin Appl，2009，3(1)：116-134.

[19]Denny P，Hagen FK，Hardt M，et al.The proteomes of human parotid and submandibular/sublingual gland salivas collected as the ductal secretions[J].J Proteome Res，2008，7(5)：1994-2006.

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(xué)歷，實(shí)驗(yàn)師。首都醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室，從事計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)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(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室 北京 100069