拉曼光谱技术在医学诊断中的研究进展

黄雯雅，金晖，刘璇，姜茜，吴巧，王晓燕

(1.东南大学医学院附属中大医院 内分泌科，江苏 南京 210009；2.东南大学 医学院，江苏 南京 210009；3.东南大学附属中大医院 护理部，江苏 南京 210009)

拉曼光谱技术在医学诊断中的研究进展

黄雯雅1,2，金晖1,2，刘璇2，姜茜1,2，吴巧1,2，王晓燕3

(1.东南大学医学院附属中大医院 内分泌科，江苏 南京 210009；2.东南大学 医学院，江苏 南京 210009；3.东南大学附属中大医院 护理部，江苏 南京 210009)

拉曼光谱技术是一种通过光与物质的相互作用产生的非弹性散射光来进行检测的光学技术，可以提供细胞、组织或生物流体的化学指纹信息。随着相关技术及光学仪器的发展，拉曼光谱在医学领域中的研究进展日新月异。作者概述了目前用于医学诊断的几种拉曼光谱技术，并以组织及生物流体为检测对象分类，介绍拉曼光谱目前在医学诊断中的应用及研究进展，探讨其成为临床常规检查方法的价值及前景。

拉曼光谱技术； 医学诊断； 组织； 生物流体； 文献综述

细胞或组织中可能引起疾病的生物化学变化可导致拉曼光谱的显著改变。拉曼光谱可以在分子水平检测这种生物化学变化，从而实现疾病诊断。它具有高特异度、高分析效率及对各种复杂样品(如各种体液、组织)无需染色或标记等特征，与其他成熟的医学成像技术(如超声、磁共振成像等)相比，拉曼光谱能以相对低的成本提供实时分子信息和高分辨率成像，故成为诊断疾病、预后评价或新疗法的工具。

1 用于医学诊断的拉曼光谱技术

1.1 显微拉曼光谱技术

1.2 表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)技术

1.4 空间位移拉曼光谱(spatially offset Raman spectroscopy,SORS)技术

CARS通常采用两个脉冲激光器，即频率为ωp的泵浦光束和与样品相互作用的频率为ωs的斯托克斯光束。当能量差ωp-ωs与样品的分子振动匹配时，在频率ωas=2ωp-ωs处产生谐振增强的CARS信号。CARS主要通过激发脂质和蛋白质中的碳氢键的伸缩振动来对细胞和组织成像，与普通拉曼光谱相比，CARS具有高能量转换效率、曝光时间短及对生物样品损伤小等优点，已成功地用于识别切除的肿瘤。

1.6 光纤拉曼探针

拉曼光谱与光纤探针的有效结合，使其成为空腔脏器疾病的一种潜在的理想的诊断工具。用于活体检测的拉曼探针需克服信噪比弱、光纤本身产生拉曼信号及光致发光等问题。尽管如此，其在医学领域中的应用仍越来越广泛。将拉曼探针与内镜技术相结合，通过其提供的实时生物信息，对诸如胃癌、膀胱癌等肿瘤的早期诊断有重要价值。

2 拉曼光谱技术在疾病诊断中的应用

2.1 以组织器官为检测对象

许多脑肿瘤目前主要是通过CT扫描、磁共振成像及脑电图等检查初步诊断，再经术后病理学检查确诊。术中须准确区分肿瘤组织与正常组织，以避免损伤功能性脑结构，同时降低因肿瘤切除不完全而复发的风险。Tanahashi等[20]对血小板衍生生长因子B诱导的浸润性胶质瘤小鼠进行肿瘤细胞及组织的拉曼测量，并与正常小鼠的星形胶质细胞及脑组织拉曼进行对比，得到归属于苯丙氨酸、脂质、DNA和蛋白质的胶质瘤特征性拉曼谱峰。其区分胶质瘤细胞的灵敏度和特异性分别为98.3%和75.0%，组织样本诊断胶质瘤的灵敏度和特异性分别为58.8%和76.4%。Kirsch等[21]通过将小鼠黑素瘤细胞注射到小鼠的颈动脉中诱导转移性脑肿瘤，并采用光纤拉曼探针技术成功实现对脑肿瘤的在体拉曼测量，基于光谱信息，使得对大脑皮层和皮层下肿瘤细胞团块的定位能够精确到大约250 μm。上述研究都证实了拉曼光谱用于组织表征的能力及用作脑部疾病在体诊断、治疗工具的潜力。脑作为人体最复杂及敏感的器官之一，决定了用于其疾病的诊疗工具需要具有更高分辨率，更短收集时间和更高精确度，这也是拉曼光谱技术今后需要不断优化的方向。

2.1.2 骨组织 拉曼光谱因具有识别骨组织中细微分子变化的能力，已用于骨关节炎、骨质疏松等疾病的早期诊断以及骨折风险的评估。骨拉曼光谱可用于评估与骨质量相关的骨组成参数，例如矿物质与基质的比例，碳酸盐与磷酸盐的比例，矿物结晶度和(或)胶原的成熟度。与传统检查手段如双能X线、定量CT、核磁共振等相比，拉曼光谱能够更早发现骨密度、骨结构的改变。Mccreadie等[22]对发生过骨质疏松性骨折妇女的股骨及髂嵴组织标本进行拉曼检测，获得小梁骨及皮质骨的化学组成信息，并与正常妇女作对比，结果发现骨折妇女的骨组织光谱具有更高的碳酸盐/酰胺Ⅰ值及碳酸盐/磷酸盐值。因此，可以将拉曼光谱所反映的骨组织的化学成分用于骨质疏松性骨折的风险评估。

近年来，已报道了用于动物的在体骨拉曼光谱检测[23]，但因其侵入性等原因尚未应用于人体。Towler等[24]提出，将指甲拉曼光谱作为一种间接评估骨质量的方法，人类指甲中的角蛋白和骨胶原蛋白的结构完整性均需要硫酸化和二硫键形成来实现，研究结果显示，与健康人相比，骨质疏松患者指甲二硫化物含量显著降低，提示可以通过转换检测对象来实现拉曼光谱对疾病的诊断。

2.1.4 眼 拉曼光谱在眼科领域的应用主要集中在对角膜、晶状体及视网膜的检测。Bauer等[28]采用聚焦拉曼光谱技术首次成功获得了人角膜组织的拉曼光谱图。Ammar等[29]应用CARS进行了角膜拉曼检测，认为该技术通过分析角膜的细胞数量及类型，可应用于多种眼科疾病诊治，如明确角膜炎病因(细菌性、真菌性、病毒性等)及损伤程度，更好地指导临床用药。也可用于角膜手术后观察伤口愈合部位的细胞数量和代谢状态。近年来，拉曼光谱在青光眼、白内障、翼状胬肉等疾病中的研究也有报道，但多为离体或动物实验结果，由于眼特有的光学特性及解剖特点，使得对活体原位拉曼检测技术的要求较其他部位更高，需严格控制激光能量及扫描时间以确保安全。随着更多眼部组织的拉曼光谱特征信号的提取，其为眼科疾病的发病机制研究及临床诊治提供了新的线索，因此拉曼光谱在眼科领域拥有着广泛的应用前景。

2.2 以生物流体为检测对象

韩洪文等[33]将糖尿病及其并发症患者的血清与正常人血清拉曼光谱进行对比发现，前者谱线725 cm-1，相对强度明显增强，且增强部分来自腺嘌呤的贡献，它与血糖水平无关，为研究糖尿病及其并发症的生化机制和临床诊断提供了新的实验依据。

Sahu等[34]对44名严重程度不等的哮喘患者及15名正常人进行血液拉曼检测，发现两者间存在显著差异，而且光谱中蛋白质结构的变化、DNA特异性谱带的增宽及黏多糖特征峰的增强均随哮喘严重程度的增加而更显著。Hobro等[35]对疟疾患者血液进行拉曼光谱检测，通过血红蛋白、血红素等的光谱变化，可以在疟原虫感染早期明确诊断，比血涂片镜检更敏感。综上所述，血液拉曼光谱已应用于多种疾病检测，而且其生物成分变化较组织更早、更敏感，同时血液标本具有易获得、创伤小、可重复取样等优点，在疾病筛查、诊断及病情监测中极具优越性。

2.2.3 尿液 尿液拉曼光谱检测同样以其标本易获取、无创等优点，被广泛用于膀胱癌、前列腺癌等疾病的研究[39]。同时，尿中各种物质如蛋白、葡萄糖、肌酐等成分的变化可反映物质代谢状态及肾功能水平，提示其拉曼光谱检测可能在全身代谢性疾病诊治及肾功能监测等方面具有广阔的发展前景。

3 展 望

拉曼光谱技术所具有的非破坏性、无放射性、高分辨力、高度自动化等优点，使其在医学领域的应用方兴未艾，但要真正成为一种临床常规诊断工具仍面临着巨大的挑战。这有赖于更多的基础及临床研究来提供坚实的理论依据及安全保障；有赖于仪器及技术本身的发展来实现更加实时、安全、有效的测量；有赖于统计模型的优化来实现数据快速分析以协助诊疗。从近几年的研究进展来看，拉曼光谱技术已在医学诊断方面取得了突破性的研究进展，包括了神经系统、循环系统、泌尿生殖系统等全身各系统疾病。且随着各种适合医用的拉曼探针及拉曼光谱仪的问世，其对体表组织(如皮肤、乳腺)和体内脏器(如胃肠道、膀胱)的实时、在体检测也已取得部分成功。综上所述，拉曼光谱技术在医学领域具有广阔的应用前景，其应用重点终将从实验研究转向临床常规诊疗。

[20] TANAHASHI K,NATSUME A,OHKA F,et al.Assessment of tumor cells in a mouse model of diffuse infiltrative glioma by Raman spectroscopy[J].Biomed Res Int,2014,2014(2):860241.

[27] NOGUEIRA G V,SILVEIRA L,MARTIN A A,et al.Raman spectroscopy study of atherosclerosis in human carotid artery[J].J Biomed Opt，2005,10(3):031117.

[30] 周涵婧.胃癌血清的表面增强拉曼光谱研究[D]．青岛：中国海洋大学,2013.

[34] SAHU A,DALAL K,NAGLOT S,et al.Serum based diagnosis of asthma using Raman spectroscopy:An early phase pilot study[J].PLoS One,2013,8(11):e78921.

[39] HARVEY T J,FARIA E C,HENDERSON A,et al.Spectral discrimination of live prostate and bladder cancer cell lines using Raman optical tweezers[J].J Biomed Opt,2008,13 (6):064004.

南京市医学科技发展一般性课题资助项目(YKK16285)

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