太赫茲及DNA甲基化在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展

摘 要 太赫茲技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物腫瘤醫(yī)學(xué)檢測、電子通信、材料研發(fā)等領(lǐng)域。太赫茲波具有低電離性、無損傷性和特征頻譜（即指紋圖譜）等特點，為檢測生物大分子的空間構(gòu)象和相互作用提供了一種新的技術(shù)手段。近年來，隨著納米顆粒在太赫茲檢測中的逐步應(yīng)用，對各類燒傷、腫瘤等疾病的檢測趨于精確，特別是近年來甲基化技術(shù)對DNA的改造，以達(dá)到治療癌癥的預(yù)期。本文闡述目前國內(nèi)外太赫茲技術(shù)在燒傷和腫瘤檢測、甲基化技術(shù)改造等方面的應(yīng)用及展望。

關(guān)鍵詞 腫瘤；太赫茲；甲基化；檢測

中圖分類號：R73 獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-1533（2024）12-0001-04

引用本文 房立勇， 馬靚， 翁黎明. 太赫茲及DNA甲基化在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展[J]. 上海醫(yī)藥， 2024， 45（12）： 1-4.

Advance in terahertz and DNA methylation in medicine

FANG Liyong1， MA Liang1， WENG Liming1

（Department of General Surgery of Fengcheng Hospital in Fengxian District， Shanghai 201411， China）

ABSTRACT Terahertz technology has been widely used in the fields of bio-oncology medical detection， electronic communication， and materials research and development. Terahertz waves have characteristics of low ionisation， non-invasiveness and characteristic spectrum（fingerprint pattern） and provide a new technical means for the detection of spatial conformation and interaction of biomacromolecules. In recent years， with the gradual use of nano-developed particles in terahertz detection， the detection of various types of burns， tumors and other diseases tends to be more accurate； especially in recent years， the methylation technology modifies the DNA in order to achieve the expectation of cancer treatment. This paper elaborates application and outlook of the current domestic and international terahertz technology in burns and tumor detection， methylation technology modification and other aspects.

KEY WORDS tumor； terahertz； methylation； detection

近十余年來太赫茲技術(shù)及DNA甲基化技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用有長足進(jìn)展，為疾病的診治提供了有益的幫助，是生物醫(yī)學(xué)走向6 G時代的重要基礎(chǔ)和核心技術(shù)。本文介紹太赫茲技術(shù)及DNA甲基化技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 概述

太赫茲（terahertz，THz）是一種電磁波，在電磁波譜中介于微波和紅外線之間，被認(rèn)為是電磁波中“最神秘的波段”，這一波段具有能量低，對物體損傷小、頻譜寬及穿透強(qiáng)的特點，也具有速度上的“瞬態(tài)特性”和識別上的“指紋特性”特點，在國防、天文、計算機(jī)通信領(lǐng)域中已有較為廣泛的研究和應(yīng)用。近十余年來太赫茲技術(shù)生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也有了較多突破。

“太”是一個量詞，涵義為一萬億，太赫茲即指震蕩頻率為一萬億赫茲。目前，國際上對太赫茲波的標(biāo)準(zhǔn)定義是頻率位于0.1～10 THz、波長3 mm～30 μm的電磁波。因此，太赫茲波具有光學(xué)和電學(xué)的雙重特性[1]（圖1）。與紅外光譜相比，太赫茲波的頻率略低，其短波段與紅外光相重合，所以既往有學(xué)者將其稱為“遠(yuǎn)紅外”。太赫茲的長波段與微波相重合，能夠覆蓋生物大分子、半導(dǎo)體等物質(zhì)的特征譜。與CT、X線相比，太赫茲波輻射值小，輻射的光子能量低，因此較少對生物組織造成電離危害，是CT、X線檢查的良好取代技術(shù)。

“甲基化”是將人體內(nèi)一些活性甲基化合物上的甲基進(jìn)行催化轉(zhuǎn)移到其他化合物上的生理過程，主要是在DNA和蛋白質(zhì)兩種物質(zhì)上發(fā)生。對DNA或蛋白質(zhì)進(jìn)行化學(xué)修飾形成甲基化產(chǎn)物，改變其分子結(jié)構(gòu)，從而影響其生理功能。由于許多生物大分子內(nèi)的基團(tuán)振動轉(zhuǎn)動和構(gòu)象改變、生物分子與周圍分子和介質(zhì)弱相互作用的振動頻率大多處于太赫茲范圍內(nèi)，故在太赫茲波下能夠獲得其特殊的生物信息，即太赫茲波具有特殊的“指紋特性”。因DNA的特征能量與太赫茲位于同一頻率區(qū)域，故太赫茲波可以直接觀察到DNA的變化。

2 太赫茲波在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 在創(chuàng)傷領(lǐng)域的應(yīng)用

由于太赫茲技術(shù)的特性，其在活體組織中的應(yīng)用具有局限性，其成像對比嚴(yán)重下降。Tseng等[3]通過太赫茲近場透射成像系統(tǒng)成功演示了裸鼠耳內(nèi)血管的活體成像，該系統(tǒng)采用了波導(dǎo)照明和亞波長孔徑的近場掃描檢測，選擇 340 GHz 的工作頻率是為了以合理的信噪比達(dá)到更高的組織穿透深度；此外，還對穿過血管的功率透射近場模式進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果與測量結(jié)果十分吻合。Bajwa等[4]過對比核磁共振與太赫茲成像技術(shù)在大鼠部分厚度和全厚度燒傷模型中，以引起與燒傷嚴(yán)重程度相對應(yīng)的獨特 TWC干擾，在270 min內(nèi)，分別使用太赫茲成像系統(tǒng)和T2加權(quán)磁共振成像獲取了這兩種燒傷模型的太赫茲表面圖和磁共振成像圖像，結(jié)果顯示太赫茲反射率與在更大組織深度（>258 μm）分析的磁共振成像數(shù)據(jù)之間明顯存在很強(qiáng)的正相關(guān)性，磁共振成像和太赫茲結(jié)果還顯示出與燒傷水腫發(fā)病機(jī)制一致的雙相趨勢。Tewari等[5]介紹了一種對皮膚燒傷創(chuàng)面的太赫茲和可見光圖像進(jìn)行配準(zhǔn)以及校準(zhǔn)太赫茲圖像數(shù)據(jù)的方法，在誘導(dǎo)燒傷后的435 min內(nèi)采集了9只大鼠的部分和全厚度燒傷創(chuàng)面圖像后將太赫茲成像對比的未知結(jié)構(gòu)與已知結(jié)構(gòu)和可見光圖像中的損傷特征進(jìn)行參照，可準(zhǔn)確判斷燒傷的深度。

2.2 在皮膚惡性腫瘤中的應(yīng)用

在皮膚惡性腫瘤中，尤以黑色素細(xì)胞瘤預(yù)后最差，皮膚黑色素瘤是惡性程度最高的皮膚腫瘤，轉(zhuǎn)移率高。太赫茲成像已被提出用于燒傷和皮膚癌的鑒定，然而，黑素細(xì)胞、黑素體、黑素含量和分布在決定人體皮膚太赫茲光學(xué)特性方面的作用尚未得到研究。Peralta等[6]使用太赫茲時域光譜法測量了來自亞洲、黑人和高加索供體的體外色素人類皮膚組織模型的光學(xué)特性，收集了不同時間間隔的光譜，用于提取太赫茲頻率下的吸收系數(shù)和折射率，研究結(jié)果顯示細(xì)胞分化程度和供體類型都會影響所測得的太赫茲光學(xué)特性。Li等[7]用透射模式太赫茲時域光譜系統(tǒng)對含有黑色素瘤的BALB/c小鼠皮膚組織切片進(jìn)行成像，由于黑色素瘤的折射率和吸收系數(shù)均高于正常皮膚組織區(qū)域，因此在0.6～1.8太赫茲頻率區(qū)域能明確識別出黑色素瘤，進(jìn)一步認(rèn)為與正常區(qū)域相比，黑色素瘤的核酸密度更高、含水量更高、脂肪含量更低，這是黑色素瘤的折射率和吸收系數(shù)高于正常組織的主要原因，驗證了太赫茲時域光譜成像技術(shù)可用于黑色素瘤的診斷。

2.3 在咽喉癌術(shù)中邊緣確定中的應(yīng)用

Li等[8]通過皮下注射建立5周齡雄性BALB/c裸鼠下咽癌移植模型，運用太赫茲時域光譜掃描腫瘤組織、正常組織和移植腫瘤的細(xì)胞旁組織，以確定腫瘤組織的范圍，結(jié)果顯示太赫茲技術(shù)能準(zhǔn)確區(qū)分腫瘤組織和正常組織，并能靈敏地檢測鄰近組織的光譜變化。同樣Ke等[9]提取10例喉癌患者的新鮮喉癌組織，同時進(jìn)行HE染色和太赫茲成像后，根據(jù)HE染色的病理結(jié)果，在顯微鏡下對每個喉癌組織樣本的腫瘤區(qū)域、癌旁區(qū)域和正常組織區(qū)域進(jìn)行定位，結(jié)果顯示太赫茲成像圖和 HE 染色顯示的腫瘤區(qū)域形狀輪廓相似。在0.5～1.9 THz 頻率范圍內(nèi)的太赫茲頻譜中，吸收系數(shù)和折射率值均遵循腫瘤>副癌>正常組織的順序。當(dāng)太赫茲頻率為1.5 THz時，喉癌組織對太赫茲光波的吸收系數(shù)與細(xì)胞核百分比呈極高的正相關(guān)。Hz-TDS 可用于根據(jù)吸收系數(shù)和折射率確定喉癌的病理邊緣，而吸收系數(shù)和折射率的大小與細(xì)胞核的百分比有關(guān)。喉癌組織的分化程度可通過THz-TDS進(jìn)行評估，表明太赫茲時域系統(tǒng)在喉癌術(shù)診斷中可更準(zhǔn)確地確定術(shù)中邊緣方面。

2.4 在腦膠質(zhì)細(xì)胞瘤中的應(yīng)用

Gavdush等[10]運用明膠包埋法對26例患者的膠質(zhì)瘤樣本進(jìn)行研究，并根據(jù)進(jìn)一步的組織學(xué)檢查結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果顯示完整組織與Ⅰ至Ⅳ級膠質(zhì)瘤的太赫茲光學(xué)常數(shù)之間存在統(tǒng)計學(xué)差異，而水腫組織的響應(yīng)與腫瘤類似。這和Yamaguchi等[11]的研究結(jié)果相似，證明了新切除的大鼠腦瘤（原位膠質(zhì)瘤）反射強(qiáng)度比正常組織高，可更清楚的顯示腦組織周圍水腫。Wu等[12]運用水平掃描太赫茲連續(xù)波ATR成像系統(tǒng)小鼠腦組織中不同大小的U87膠質(zhì)瘤區(qū)域和大鼠腦組織中相對較大的C6膠質(zhì)瘤區(qū)域，都可清楚的與正常腦組織區(qū)分開來。太赫茲連續(xù)波ATR成像系統(tǒng)或許可作為生物組織無標(biāo)記、高靈敏度成像的替代方法。

2.5 在乳腺癌中的應(yīng)用

Bowman等[13]新鮮切除的乳腺癌腫瘤在0.15～3.5 THz范圍內(nèi)的太赫茲成像和光譜特性，顯示新切除的乳腺癌腫物的THz 波成像和光譜特征在0.15～3.5 THz波范圍內(nèi)。Bowman等[14]的研究顯示太赫茲成像可有效區(qū)分乳腺腫瘤中的癌組織、健康組織和脂肪組織，但在癌組織和纖維腺（健康）組織之間的對比度方面仍存在挑戰(zhàn)，使用太赫茲反射模式對三陰性乳腺癌模型進(jìn)行成像，以檢驗對比劑在區(qū)分兩種組織類型方面的有效性。

2.6 在胃癌、肝癌與胰腺癌中的應(yīng)用

胃癌作為消化道腫瘤中常見惡性腫瘤主要通過手術(shù)治療，但為了將胃的不同膜結(jié)構(gòu)清楚地區(qū)分開來，以提供有效準(zhǔn)確的切除范圍，Grigorev等[15]在反射模式下使用太赫茲時域光譜對各種胃正常組織和癌癥新鮮組織進(jìn)行研究，顯示在0.2-THz的頻率范圍內(nèi)，獲得了中度分化和低度分化胃腺癌以及漿膜和黏膜的折射率和吸收系數(shù)，所有癌癥組織都能與正常組織區(qū)分開來，其研究討論了所研究組織的形態(tài)對所獲得的光學(xué)特性的影響，結(jié)果表明，太赫茲時域光譜法具有區(qū)分腫瘤與正常漿液性和黏液性胃膜的潛力。因此，這種方法可應(yīng)用于胃癌診斷。Shi等[16]首次將高分辨率太赫茲成像系統(tǒng)用于掃描非腫瘤鄰近組織切片和胃癌（GC）組織切片，結(jié)果表明，在非腫瘤鄰近組織中，黏膜下層的太赫茲透射率低于黏膜和肌層。在胃癌組織中，黏膜和黏膜下層的太赫茲透射率相近，這是由于發(fā)生癌變的黏膜透射率降低所致，認(rèn)為胃黏膜和黏膜下層之間相似的太赫茲透射率可能預(yù)示著癌變的出現(xiàn)。

肝細(xì)胞癌（HCC）是全球最常見的惡性腫瘤之一，其檢測技術(shù)仍依賴穿透的CT、多普勒超聲（彩超）、MR及檢驗等。Duan等[17]將正常肝臟組織和 HCC 組織冷凍切成50 μm厚的切片，用蘇木精和伊紅染色法或太赫茲透射法對相鄰的兩個組織切片進(jìn)行組織病理學(xué)檢查，并將太赫茲圖像與病理映射圖像進(jìn)行比較，結(jié)果顯示HCC組織的透射率為0.15～0.25，典型HCC組織的透射率約為0.2。正常肝組織的太赫茲透射率略高于0.4，但影響因素很多，包括肝硬化程度、脂肪成分、冰凍切片中的冰晶和細(xì)胞凋亡，研究表明太赫茲成像可以檢測HCC組織。

胰腺癌作為“癌中之王”，其預(yù)后生存率較低，原因在其侵襲性較強(qiáng)，易導(dǎo)致周圍組織侵犯及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移。Brun等[18]利用太赫茲掃描獲得的信息可用于癌癥患者的管理及不同實體瘤的早期檢測。

2.7 太赫茲下的DNA甲基化

DNA的異常甲基化是一種眾所周知的致癌機(jī)制，也是一種常見的DNA化學(xué)修飾。因其特征能量與太赫茲位于同一頻率區(qū)域，故太赫茲波可直接觀察到DNA的變化。Cheon等[19]通過使用太赫茲時域光譜技術(shù)在癌細(xì)胞系基因組DNA的水溶液中監(jiān)測分子共振，揭示了太赫茲區(qū)存在癌癥DNA的分子共振指紋，可用于分子水平的早期診斷。

甲基化胞苷是一種核苷，具有太赫茲特征能量，可引起DNA甲基化的分子共振，太赫茲輻射可影響DNA甲基化的程度。DNA甲基化是一種表觀遺傳修飾，其中甲基（CH3）基團(tuán)附著在人類DNA的核堿基胞嘧啶上。對DNA甲基化的適當(dāng)控制可導(dǎo)致對基因表達(dá)的適當(dāng)調(diào)節(jié)。然而，通過異常DNA甲基化偏離受控基因轉(zhuǎn)錄的異?；虮磉_(dá)可能發(fā)生在癌癥或其他疾病中。Cheon等[20]在2023年一項研究中利用共振太赫茲輻射通過太赫茲去甲基化改變細(xì)胞中基因表達(dá)，運用酶聯(lián)免疫吸附試驗觀察到在有限光譜帶寬的1.6-THz輻射照射下SKMEL-3黑色素瘤細(xì)胞系中DNA整體甲基化程度的變化，共振太赫茲輻射可使活體黑色素瘤細(xì)胞去甲基化19%，且無明顯的嘌呤/近嘧啶位點出現(xiàn)，去甲基化比率與太赫茲輻射功率成線性比例。太赫茲去甲基化可下調(diào)FOS、JUN和CXCL8基因，這些基因參與癌癥和細(xì)胞凋亡通路，研究表明，太赫茲去甲基化有望成為一種基因表達(dá)調(diào)節(jié)劑。Cheon等[21]利用共振太赫茲輻射離解甲基-DNA 鍵并減少DNA的全局甲基化，研究了太赫茲輻照對DNA造成的損傷。通過M-293T DNA的去甲基化率隨輻照功率線性增加，最高可達(dá) 48%。脫甲基程度隨著暴露于太赫茲輻射而增加，10 min后達(dá)到飽和，其提供了太赫茲去甲基化的初步數(shù)據(jù)，并證明了太赫茲技術(shù)在高級癌細(xì)胞研究中的適用性，表明太赫茲去甲基化有望成為一種基因表達(dá)調(diào)節(jié)劑。

3 展望

太赫茲技術(shù)以其指紋特性、無損特性、快速識別創(chuàng)傷深度（瞬態(tài)特性）等優(yōu)勢，在臨床實踐中可以無損快速地對生化指標(biāo)及病理學(xué)標(biāo)本進(jìn)行檢測。隨著太赫茲成像技術(shù)的不斷發(fā)展、相關(guān)更高效對比劑的研發(fā)、組織中水份干擾的屏蔽、太赫茲在甲基化修飾NDA中的不斷進(jìn)展，在可預(yù)見的將來，太赫茲技術(shù)將為醫(yī)療領(lǐng)域帶來更準(zhǔn)確、更快速、更高效的實時檢測手段，將在無損臨床檢驗中發(fā)揮巨大的潛力，太赫茲甲基化技術(shù)的臨床應(yīng)用將為醫(yī)學(xué)腫瘤領(lǐng)域帶來巨大的技術(shù)飛升。

參考文獻(xiàn)

[1] Yu C， Fan S， Sun Y， et al. The potential of terahertz imaging for cancer diagnosis： A review of investigations to date[J]. Quant Imaging Med Surg， 2012， 2（1）： 33-45.

[2] 許志浩. 基于貝塞爾光束的連續(xù)太赫茲波計算層析成像研究[D]. 北京： 北京工業(yè)大學(xué)， 2019.

[3] Tseng TF， Yang SC， Shih YT， et al. Near-field sub-THz transmission-type image system for vessel imaging in-vivo[J]. Opt Express， 2015， 23（19）： 25058-25071.

[4] Bajwa N， Sung S， Ennis DB， et al. Terahertz imaging of cutaneous edema： correlation with magnetic resonance imaging in burn wounds[J]. IEEE Trans Biomed Eng， 2017， 64（11）： 2682-2694.

[5] Tewari P， Garritano J， Bajwa N， et al. Methods for registering and calibrating in vivo terahertz images of cutaneous burn wounds[J]. Biomed Opt Express， 2019， 10（1）： 322-337.

[6] Peralta XG， Lipscomb D， Wilmink GJ， et al. Terahertz spectroscopy of human skin tissue models with different melanin content[J]. Biomed Opt Express， 2019， 10（6）： 2942-2955.

[7] Li D， Yang Z， Fu A， et al. Detecting melanoma with a terahertz spectroscopy imaging technique[J]. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc， 2020， 234： 118229.

[8] Li J， Jia L， Tang F， et al. Determination of pathological margin of hypopharyngeal cancer by terahertz time-domain spectroscopy system[J]. Lin Chuang Er Bi Yan Hou Tou Jing Wai Ke Za Zhi， 2020， 34（7）： 639-642； 646.

[9] Ke J， Jia L， Hu Y， et al. Clinical and experimental study of a terahertz time-domain system for the determination of the pathological margins of laryngeal carcinoma[J]. World J Surg Oncol， 2022， 20（1）： 339.

[10] Gavdush AA， Chernomyrdin NV， Malakhov KM， et al. Terahertz spectroscopy of gelatin-embedded human brain gliomas of different grades： a road toward intraoperative THz diagnosis[J]. J Biomed Opt， 2019， 24（2）： 1-5.

[11] Yamaguchi S， Fukushi Y， Kubota O， et al. Brain tumor imaging of rat fresh tissue using terahertz spectroscopy[J]. Sci Rep， 2016， 6： 30124.

[12] Wu L， Xu D， Wang Y， et al. Horizontal-scanning attenuated total reflection terahertz imaging for biological tissues[J]. Neurophotonics， 2020， 7（2）： 25005.

[13] Bowman T， Vohra N， Bailey K， et al. Terahertz tomographic imaging of freshly excised human breast tissues[J]. J Med Imaging （Bellingham）， 2019， 6（2）： 23501.

[14] Bowman T， Walter A， Shenderova O， et al. A Phantom study of terahertz spectroscopy and imaging of micro- and nanodiamonds and nano-onions as contrast agents for breast cancer[J]. Biomed Phys Eng Express， 2017， 3（5）： 55001.

[15] Grigorev R， Kuzikova A， Demchenko P， et al. Investigation of fresh gastric normal and cancer tissues using terahertz timedomain spectroscopy[J]. Materials （Basel）， 2019，13（1）： 85.

[16] Shi H， Li T， Liu Z， et al. Early detection of gastric cancer via high-resolution terahertz imaging system[J]. Front Bioeng Biotechnol， 2022，10： 1052069.

[17] Duan F， Wang YY， Xu DG， et al. Feasibility of terahertz imaging for discrimination of human hepatocellular carcinoma[J]. World J Gastrointest Oncol， 2019，11（2）： 153-160.

[18] Brun MA， Formanek F， Yasuda A， et al. Terahertz imaging applied to cancer diagnosis[J]. Phys Med Biol， 2010，55（16）： 4615-4623.

[19] Cheon H， Yang HJ， Lee S H， et al. Terahertz molecular resonance of cancer DNA[J]. Sci Rep， 2016， 6： 37103.

[20] Cheon H， Hur JK， Hwang W， et al. Epigenetic modification of gene expression in cancer cells by terahertz demethylation[J]. Sci Rep， 2023，13（1）： 4930.

[21] Cheon H， Yang H J， Choi M， et al. Effective demethylation of melanoma cells using terahertz radiation[J]. Biomed Opt Express， 2019， 10（10）： 4931-4941.