拉曼光譜讓腫瘤無(wú)處遁形

拉曼光譜，讓腫瘤無(wú)處遁形cc講者：科室：中心實(shí)驗(yàn)室c01背景腫瘤，是嚴(yán)重威脅我國(guó)居民生命健康的重大疾病之一。目前，檢測(cè)腫瘤主要有三種方法：腫瘤標(biāo)志物，影像學(xué)和組織病理學(xué)。但是存在著診斷時(shí)間長(zhǎng)、創(chuàng)傷嚴(yán)重和誤判率高等問(wèn)題，且嚴(yán)重依賴醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)。因此，探究出一種新型快速、無(wú)創(chuàng)診斷、高靈敏度的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)保障人們生命健康具有重大的意義。組織癌變是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，會(huì)影響到核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子含量、結(jié)構(gòu)的變化。正常組織與不同時(shí)期的癌變組織的形態(tài)和成分在細(xì)胞和分子水平上都存在差異。光譜技術(shù)具有極高的精確度和靈敏度，可獲得分子指紋圖譜信息，可為癌變組織的精準(zhǔn)、無(wú)創(chuàng)性檢測(cè)提供一條可行途徑。其中拉曼光譜具有特異性、無(wú)需標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn)，在腫瘤診斷上具有充分的應(yīng)用空間。cc02拉曼光譜與拉曼成像單色光入射到樣品上，部分光會(huì)被散射。散射光中的大部分與入射光具有相同的波長(zhǎng)（顏色），這種散射方式被稱為瑞利散射（Rayleighscattering）。然而，有極小一部分（大約1/109）散射光的波長(zhǎng)（顏色）與入射光不同，其波長(zhǎng)變化是由樣品(“散射物質(zhì)”)的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定的，這部分的散射光被稱為拉曼散射（Ramanscattering）。拉曼散射根據(jù)反射光波長(zhǎng)（λscatter）與入射光（λincident）的變化又分為斯托克斯（Stokes）拉曼散射（λscatter>λincident）和反斯托克斯(anti-Stokes)拉曼散射(λscatter<λincident)。通常拉曼散射強(qiáng)度約為入射光強(qiáng)10-8~10-6，而且反斯托克斯拉曼散射強(qiáng)度低于斯托克斯拉曼散射強(qiáng)度。cc02拉曼光譜與拉曼成像拉曼譜圖通常由一定數(shù)量的拉曼峰構(gòu)成，每個(gè)拉曼峰代表了相應(yīng)的拉曼散射光的波長(zhǎng)位置和強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)應(yīng)一種特定的分子鍵振動(dòng)，既包括單一的化學(xué)鍵振動(dòng)，也包括由數(shù)個(gè)化學(xué)鍵組成的基團(tuán)的振動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于自發(fā)拉曼散射信號(hào)強(qiáng)度弱、抗干擾能力差等問(wèn)題，各種拉曼信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如：共振拉曼光譜技術(shù)（RRS）、表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)（SERS）、針尖增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)（TERS）、受激拉曼光譜技術(shù)（SRS）。拉曼光譜成像技術(shù)是基于樣品的拉曼光譜生成詳細(xì)的化學(xué)圖像，在該圖像的每一個(gè)單元上，都對(duì)應(yīng)采集了一條完整的拉曼光譜，然后將這些光譜集成在一起，就生成了一幅反映材料的成分和結(jié)構(gòu)的偽彩色圖像。拉曼光譜成像技術(shù)可根據(jù)拉曼峰的強(qiáng)度生成材料的不同構(gòu)型圖像，如：材料濃度和分布圖像、分子結(jié)構(gòu)、應(yīng)力圖像、結(jié)晶度圖像，也可以與光纖探頭組合進(jìn)行原位組織成像。cc03基于拉曼光譜的診斷方法拉曼光譜技術(shù)作為一種具有特異性、無(wú)需標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn)的光學(xué)技術(shù)，可以通過(guò)拉曼峰頻移的位置或者拉曼峰強(qiáng)度等因素來(lái)分析物質(zhì)生化組成特性，因而在腫瘤組織的良惡性判斷上有很大的應(yīng)用空間。常規(guī)的基于拉曼光譜的腫瘤診斷方法通常包含三個(gè)步驟：1）材料準(zhǔn)備。原材料多為腫瘤組織或癌細(xì)胞系、血液或血液成分、腫瘤標(biāo)志物等。目前，采用腫瘤組織診斷是基于拉曼光譜診斷腫瘤良惡性最直接和最廣泛的研究，而細(xì)胞在檢測(cè)尺度上比組織更精細(xì)，可用于癌癥篩查，同時(shí)，利用血液及其成分來(lái)診斷是一種行之有效的方法。通過(guò)拉曼光譜來(lái)對(duì)腫瘤標(biāo)志物進(jìn)行檢測(cè)是近些年研究的熱點(diǎn)。利用揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行腫瘤診斷cc03基于拉曼光譜的診斷方法2）數(shù)據(jù)采集。在樣品獲得后，可采用不同波長(zhǎng)的激發(fā)光進(jìn)行光譜采集。同時(shí)，可使用不同的拉曼技術(shù)來(lái)進(jìn)行光譜采集，特別的可使用表面增強(qiáng)技術(shù)來(lái)提高拉曼信號(hào)強(qiáng)度。數(shù)據(jù)采集處理過(guò)程中，光譜的測(cè)量范圍會(huì)影響采集時(shí)間和后續(xù)數(shù)據(jù)處理的冗余度。一般光譜的采集范圍在400~3500cm-1，實(shí)際上，多數(shù)的研究?jī)H選擇拉曼指紋區(qū)（400~1800cm-1），或者同時(shí)采集拉曼指紋區(qū)和高波數(shù)區(qū)（2800~3200cm-1），因此應(yīng)選擇合適的數(shù)據(jù)采集區(qū)域。3）數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理對(duì)不同類(lèi)型腫瘤分類(lèi)至關(guān)重要。利用各種算法和方法對(duì)獲得的光譜進(jìn)行濾波、歸一化和校正，然后進(jìn)行分類(lèi)。拉曼峰強(qiáng)度比較是最直接的方法，但精度不高；對(duì)于大量的數(shù)據(jù)，往往使用豐富的多元統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)分析光譜差異，進(jìn)行診斷。cc04基于拉曼成像的診斷方法拉曼光譜成像技術(shù)通過(guò)對(duì)生物材料中化學(xué)鍵進(jìn)行無(wú)標(biāo)記快速表征，可實(shí)現(xiàn)非破壞性、實(shí)時(shí)原位分析檢測(cè)，在腫瘤檢測(cè)和診斷領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了初步嘗試與應(yīng)用。拉曼光譜成像技術(shù)在區(qū)分正常與腫瘤組織細(xì)胞以及標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)條件下無(wú)法檢測(cè)到的腫瘤邊緣具有極大地優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)腫瘤組織的亞型與分期的判別具有很大的應(yīng)用空間，然而其對(duì)惡性腫瘤組織細(xì)胞檢測(cè)的靈敏度與特異性有待提高。同時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能算法的引入，使得拉曼光譜成像技術(shù)在腫瘤組織細(xì)胞檢測(cè)中的時(shí)效性及精確性有了明顯的提升。cc04基于拉曼成像的診斷方法特別的，拉曼成像所形成的偽色彩圖片對(duì)于目前使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)行智能化診斷是非常合適的輸入樣本，這也是未來(lái)應(yīng)用拉曼成像方式來(lái)進(jìn)行腫瘤診斷的重要途徑。將拉曼成像作為智能化診斷的前提是拉曼成像圖像與現(xiàn)有切片病理診斷圖像的高度一致性。在兩者具有高度一致性情況下，可進(jìn)行智能化診斷。喉鱗狀細(xì)胞癌組織冰凍切片的SRS和H&E圖像cc05探頭結(jié)合光譜的診斷方法隨著光學(xué)技術(shù)發(fā)展，光纖技術(shù)與信號(hào)傳輸系統(tǒng)的結(jié)合，使得部分腫瘤的診斷可以由光纖將拉曼信號(hào)加載并傳播出來(lái)，從而對(duì)腫瘤進(jìn)行診斷。光纖與內(nèi)窺鏡聯(lián)用，或者用光纖探頭進(jìn)行腫瘤診斷，是未來(lái)應(yīng)用拉曼光譜進(jìn)行原位實(shí)時(shí)腫瘤診斷的一個(gè)重要研究方向，也是一種新型快速腫瘤診斷方法。使用光纖探頭進(jìn)行拉曼光譜數(shù)據(jù)采集或者成像是一種較為方便的拉曼光譜診斷方法，其主要應(yīng)用于體外組織切片的診斷，操作簡(jiǎn)單易行，安全性高，目前已應(yīng)用于多種癌癥的診斷。cc05探頭結(jié)合光譜的診斷方法相比于體外診斷，利用光纖探頭進(jìn)行體內(nèi)腫瘤診斷則難度大，安全性差，但也有一些科研成果的產(chǎn)出。光纖與內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的聯(lián)用是一種新的用于腫瘤體內(nèi)診斷的方法，其優(yōu)勢(shì)在于不僅可以獲得腫瘤的實(shí)時(shí)成像，也可以同時(shí)進(jìn)行拉曼光譜數(shù)據(jù)采集或者拉曼成像。綜合內(nèi)窺鏡成像和光譜系統(tǒng)的原理圖利用光纖活檢針進(jìn)行腫瘤診斷cc06總結(jié)拉曼光譜技術(shù)，作為一種無(wú)損、無(wú)需標(biāo)記的光學(xué)技術(shù)，可以通過(guò)拉曼峰頻移的位置分析物質(zhì)生化組成特性，在腫瘤的良惡性判別中越來(lái)越受到科研人員的青睞。大多數(shù)基于拉曼光譜的診斷方式，僅僅是對(duì)拉曼光譜進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，所包含的腫瘤信息相對(duì)較少，因此這種方法多用于腫瘤的良惡性診斷，需要更加深入探究如何應(yīng)用拉曼光譜技術(shù)對(duì)腫瘤的類(lèi)型與亞型進(jìn)行診斷。拉曼光譜成像技術(shù)更適合于對(duì)腫瘤進(jìn)一步的分類(lèi)分型診斷。然而，這種方式獲取樣品信息較為復(fù)雜，且所需時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)拉曼成像結(jié)果與現(xiàn)有免疫組化成像結(jié)果的