拉曼光谱技术在癌症诊断中的研究进展

刘文艳 潘 清 王 珂 谢 艳 沙 飞

拉曼光谱技术在癌症诊断中的研究进展

刘文艳①潘 清①王 珂①谢 艳①沙 飞①

癌症是世界上发病率和病死率最高的疾病之一，随着生活方式的变化和社会老龄化，防治癌症的任务将十分艰巨。早期诊断方法存在阳性率低、过度诊断及有创等缺点，不利于高危人群筛查及癌症生存率的提高。拉曼光谱技术可以提供检测样本的分子结构特征，适合于癌症的早期诊断，且具有快速、无创及高灵敏度的特点，正在成为一种新的癌症诊断方法。通过介绍国内外拉曼光谱技术在癌症诊断方面的研究进展，提出采用唾液表面增强拉曼检测技术为癌症的筛查和早期诊断提供新途径的发展思路。

癌症；早期诊断；拉曼光谱

[First-author’s address] School of Biomedical Engineering, Captial Medical University, Beijing 100069, China.

癌症是威胁人类健康和生命的最主要疾病之一，人体的所有器官均有发生癌变的可能。每年全世界约有600万人被癌症夺去生命，在我国约150万人死于癌症。近年来，随着医学水平提高及医疗设备的不断发展，仍不能够对癌症进行彻底治愈。临床研究表明，癌症的预后与早期发现、早期诊断和早期治疗密切相关[1]。因此，癌症的早期发现在临床医学上具有重要意义。目前，癌症的常规诊断方法有医学影像学检查、肿瘤标志物检测以及微创介入检查等，但这些方法很难检测癌变组织和细胞早期所发生的生化和分子结构异常，存在检测阳性率低、耗时及过渡诊断等缺点，因此急需在临床上研究一种方便快捷、无创、灵敏度和特异度高的诊断方法，以对高危人群进行筛查并在一定程度上控制肿瘤的发展及提高患者的生存率。近年来出现的拉曼光谱技术已经达到单分子检测水平，可以作为一种有力的分析分子结构工具用来研究各类生命科学问题。

1 拉曼光谱与表面增强拉曼光谱

1928年印度物理学家拉曼(Raman)在实验室观测到拉曼效应。由于拉曼散射信号强度弱，相应降低了检测物质的灵敏度。Brabec等[2]对光滑银电极表面进行粗糙化处理后首次获得高质量的拉曼光谱，这种与粗糙表面相关的表面增强效应，被称为表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)效应。SERS技术被发现后迅速在表面科学、分析科学和生物科学等领域得到了广泛应用[3]。

2 SERS技术在生物医学中的应用

由于SERS技术是一种痕量特征标记性物质检测技术，达到了分子识别水平，非常适合于生命科学研究。从20世纪后半叶开始，国内外学者利用SERS技术针对人或动物的离体组织，包括人体皮肤、血液、眼睛、肺、胃、肠、宫颈和卵巢等离体的正常或异常组织开展研究，获得了重要成果[4]。拉曼光谱能够从分子水平反映组织生化的细微变化，具有无创、快速和精细如“指纹”的分辨能力，使拉曼光谱技术日益受到重视，在生物医学研究和临床诊断特别是早期癌症的诊断中取得重大进展。目前，拉曼光谱技术已经应用于多种癌症的诊断[5]。

2.1 对乳腺癌的诊断

乳腺癌是女性中最常见的恶性肿瘤，严重威胁着女性的健康和生命。为了快速地诊断乳腺癌，许多医疗机构进行了长期的相关研究。在20世纪90年代，Alfano等[6]测量了离体正常、良性和恶性胸部组织的拉曼光谱，并讨论了利用拉曼光谱来区分正常和恶性胸部组织的可行性。研究发现，良性胸部组织的振动光谱表现出4个特征峰，分别在1078 cm-1、1300 cm-1、1445 cm-1和1651 cm-1。良性肿瘤有1240 cm-1、1445 cm-1和1659 cm-13个峰，而恶性肿瘤有1445 cm-1和1651cm-1两个峰。正常组织中1445 cm-1和1651 cm-1的比值大于良性肿瘤，而小于恶性肿瘤。根据良性和恶性胸部组织拉曼光谱的对比分析，从分子水平探讨引起乳腺癌变的生化机制，为实现乳腺癌诊断提供有力依据。

2.2 对宫颈癌的诊断

宫颈癌是最常见的女性生殖道恶性肿瘤，全球女性宫颈癌发病率仅次于乳腺癌居第二位。Liu等[7]利用FT-IR拉曼检测各种妇科组织，在宫颈癌症组织的拉曼光谱中，酰胺I伸展振动的1657 cm-1峰的强度要低于1445 cm-1处C-H弯曲振动的强度，同时酰胺III的1262 cm-1处的峰很宽。利用此规律可以根据一定的算法来诊断和预测早期宫颈癌。

2.3 对胃癌的诊断

凌晓峰等[8]用FT-Raman方法测定了胃癌组织和胃正常组织的光谱，结果表明与胃正常组织相比，癌变组织中蛋白质和核酸相对于脂类的含量有明显增加。张京伟等[9]研究显示，胃癌组织与胃正常黏膜组织间存在明显光谱差异。在位于正常组织1585 cm-1的特征振动峰相对强度比癌变组织中明显减弱，对照正常组织的1642 cm-1、1662 cm-1酰胺I双峰和癌症组织的1668 cm-1酰胺I单峰振动，可以区分两种病例学形态组织，有望成为诊断胃癌的方法。

2.4 对肺癌的诊断

黄志伟等[10]对比正常支气管组织和肿瘤组织的拉曼光谱变化，结果显示二者的光谱有显著的差别，在1445 cm-1与1655 cm-1处的拉曼光谱强度能很好的区分肺正常组织与癌组织。Yamazaki等[11]构建了新的近红外多通道拉曼系统，并用此系统收集了210个肺癌组织和正常组织的拉曼光谱，其结果显示此方法能有效地诊断肺癌。

2.5 对肝癌的诊断

杨文沛等[12]对单个肝癌细胞的拉曼光谱分析研究，利用激光镊子拉曼光谱系统研究了人正常肝细胞和肝癌细胞的单细胞拉曼光谱。实验结果显示，正常细胞和癌细胞的平均拉曼光谱存在显著差异；在1658 cm-1及1450 cm-1处两类样本谱线强度发生了改变，表明激光镊子拉曼光谱是判断正常肝细胞和肝癌细胞的有效方法。

2.6 对其他组织癌的诊断

姚辉璐等[13]利用激光镊子拉曼光谱系统研究了鼻咽癌细胞株和正常人鼻咽部气道上皮细胞株的单个细胞拉曼光谱，研究结果显示，在1304 cm-1及1336 cm-1处两类细胞的峰强比值有明显变化。李蓉等[14]利用傅里叶变换拉曼光谱仪得到了甲状腺癌和甲状腺正常组织样品的拉曼光谱。在甲状腺正常组织的503 cm-1和758 cm-1处有两个特征峰，分别对应C-I伸缩振动和苯环的环振动，这2个特征峰在甲状腺癌的拉曼光谱中均消失。在甲状腺正常组织的3062 cm-1和1003 cm-1处归属为酪氨酸的特征峰，在甲状腺癌组织中这两处峰强明显降低。因此，拉曼光谱法有望成为甲状腺癌诊断的有效方法。

3 SERS技术对唾液检测的可行性

目前，国内外学者使用拉曼光谱技术对疾病早期诊断的研究集中在对病理切片、组织细胞及血液的检测，并获得重大进展，而利用人体唾液作为监测对象进行癌症诊断，也已引起广大研究人员关注。唾液是人体重要体液之一，包含大量的蛋白质和疾病指标的物质，通过对唾液成分的分析可以对许多疾病进行诊断[15]。1901年Michaels和Kick首次将唾液作为诊断疾病的检查手段，其在临床工作中作为疾病诊断标本方面的价值已受到广泛重视[16-17]。国内外研究结果显示，唾液的变化受人体各种病理生理因素的影响，可作为疾病诊断、疗效判断及药物监测的参考指标，在疾病诊治中具有潜在的应用价值[18]。随着研究的深入，唾液检测甚至有可能替代抽血化验[19]。唾液中独特、丰富的蛋白质成分毫无疑问是潜在的肿瘤及疾病的理想生物标记。由于唾液容易采集、对患者无侵入性、低成本运输和储藏以及唾液与血清之间的联系使得唾液检测正在成为一种重要的疾病诊断方法。

4 展望

人体唾液中含有大量体征相关的特异性蛋白质和分泌物质，唾液检测具有无创、快速和适合开展大规模普查等优点，已经引起越来越多研究人员的关注。SERS技术具有简便、测量条件要求低、可重复性好等优点。二者的结合有可能成为常规临床检测方法的辅助手段，甚至逐步取代血液检测。这种检测方法不仅应用于癌症的早期诊断，对于吸毒人员的监测、出入境人员流行病的检测防控、现代军事局部战争和反恐战争等领域均具有广阔的应用前景。

[1]杨拴盈.肺癌早期诊断的现状、困惑和希望[J].西安交通大学学报(医学版)，2011，32(1)：1-5.

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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

刘文艳,女,(1977- ),本科学历，实验师。首都医科大学生物医学工程学院计算机实验室，从事计算机实验辅助教学和管理工作。

1672-8270(2015)01-0081-03

R730.4

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.026

2014-04-04

①首都医科大学生物医学工程学院计算机实验室 北京 100069