拉曼光谱在口腔诊疗中的研究进展

余 成，高 丽，李春明

疾病的早发现、早诊断仍然是确保患者生存和生活质量的最佳方法[1]。目前对口腔疾病早期的临床评估主要通过术前X线、CT、MRI、B超及术者术中对病灶的触诊等，病变组织活检仍作为口腔颌面部肿瘤诊断的金标准[2]。但这些常规方法特异性和敏感性较差，研究表明病理活检假阴性率高达23%[3]。拉曼光谱技术具有无创性，能够提供丰富的定性和定量信息，无需样本的特殊处理[4-5]，近年来成为口腔医学临床早期诊断的研究热点，本文就拉曼光谱在口腔医学应用的研究进展作一综述。

1 拉曼光谱的原理

光以一定频率照射到物质上，如果散射光的频率和入射光一样，没有能量交换，这种散射被称为瑞利散射。然而有一部分入射光光子的能量使处于振动基态的分子激发到较高的、不稳定的状态(虚态)，当分子离开不稳定状态回到振动基态，向外释放的这部分光子振动频率与入射光不同，称为拉曼散射。拉曼在1928年发现了拉曼散射效应[6]，该效应产生的光谱被称为“拉曼光谱”。拉曼光谱可反映有关生物组织分子组成信息(如脂质、核酸、蛋白质和水的含量)[7]，通过分析谱带的变化可获取生物大分子结构或数量的改变，从中分析生物组织病理生理状态，因此拉曼光谱又被称为“分子指纹”[8]。

2 拉曼光谱在疾病诊断中的优势

细胞增殖、分化以及生物因子的分泌都会引起病变组织中相应分子(如DNA、RNA、蛋白质和脂质)成分、结构和含量的改变。拉曼光谱可以在样本发生形态学改变之前检测出相关分子的变化，对口腔疾病早期诊断具有明显优势[9]。相较于传统病理学及影像学的繁琐处理过程，拉曼光谱可以实时、快速、无创地进行诊断，减轻了患者诊疗过程中的痛苦，节省时间[10]。某些特殊解剖部位无法进行活检时也可通过光纤拉曼光谱进行无创诊断检测[11]。此外，皮下注射针头内光纤拉曼光谱技术无需特别制作样本便可对机体深层组织进行检测[12]，既保留了样本的完整性，又具有损伤小、穿透度深、光谱分辨率高等优点。拉曼光谱谱带相对较窄，不易重叠，能够提供更多的样本信息，有利于分析[13]。目前，拉曼光谱技术尚处于研究阶段，还需要大量的临床试验来建立足够规模的数据库，统一疾病筛查诊断的标准，对拉曼光谱诊断的准确性进行分析。

3 拉曼光谱在口腔疾病中的应用

3.1 拉曼光谱在牙周黏膜疾病中的应用

寻常型天疱疮(pectulus vulgaris，PV)是一种罕见的能威胁生命的自身免疫性疾病，会引起皮肤和口腔黏膜棘层松解及角质形成细胞的粘附作用受到破坏[14]。病理学检测是诊断PV的金标准，但传统的病理活检为有创操作，具有一定的手术风险。Camerlingo等[15]通过对不同阶段(天疱疮病变期、治疗期及康复期)的天疱疮患者口腔黏膜进行拉曼光谱研究发现，与正常组织相比，天疱疮病变黏膜光谱在1 250～1 400 cm-1区域中的光谱值呈下降趋势，主要与病变组织中磷脂含量下降有关；而蛋白质含量的增加，使病变组织光谱在1 500～1 650 cm-1区域中的光谱值急剧上升且出现多个尖锐谱峰。利用拉曼光谱无需手术即可诊断PV，减少了患者就诊时的痛苦，提高了患者的就诊满意度。

牙周探诊附着丧失诊断牙周炎受操作者主观影响大，需要操作者有丰富的临床经验。Hernández-Cedillo等[16]利用表面增强拉曼光谱技术研究牙周炎患者的唾液酸水平，发现牙周炎患者唾液中糖蛋白和黏蛋白等物质含量明显增加，可用来鉴别诊断牙周炎患者与正常人群，减少了操作者的主观性误差，提高了诊断的准确性。

3.2 拉曼光谱在牙体硬组疾病中的应用

Alturki等[17]对龋坏牙齿的牙本质组织进行拉曼光谱研究发现，光谱中1 650 cm-1处的峰值代表酰胺Ⅰ；960 cm-1处的峰值代表磷酸盐。进一步分析酰胺Ⅰ与磷酸盐的峰值比发现，该比值在龋齿中较高，检测还发现牙本质硬度值降低，提示龋坏的牙本质脱矿导致其磷酸盐含量减少。研究表明拉曼光谱可以区分正常牙体组织与龋坏的牙体组织，具有诊断早期龋齿的潜力[18]。

3.3 拉曼光谱在矫治错颌畸形中的应用

临床医师施加的正畸力合适与否对患者预后有较大影响。Jung等[19]比较牙齿正畸过程中龈沟液的拉曼光谱，发现正畸力不同，龈沟液中矿物质与基质以及碳酸盐磷灰石与羟基磷灰石的拉曼谱带强度比值也不同，可用来评估正畸力的大小是否合适。Camerlingo等[20]研究正畸牙龈沟液的拉曼光谱发现在1 537 cm-1处有一个强烈的峰，这与龈沟液中降解的胡萝卜素的增加有关。有文献表明，与健康人群相比，龈沟液中的类胡萝卜素浓度会随着牙周组织炎症严重程度的增加而增加[21]，可用来监测矫治过程中牙周组织的状况。

3.4 拉曼光谱在口腔肿瘤中的应用

口腔鳞状细胞癌(OSCC)是全球第18大癌症，2020年报告的新增病例为377 713例，死亡人数为177 757例，早期诊断与治疗对OSCC的预后具有重要意义[22]。拉曼光谱具有实时、快速、无创等优势，越来越多地被应用于OSCC诊断的研究[23]。Matthies等[24]对正常黏膜、非恶性病变黏膜和OSCC黏膜的拉曼光谱进行了研究。发现正常组织与病变组织在1 448 cm-1、1 656 cm-1和1 750 cm-1处波数存在统计学差异。Matthies等还对光谱进行了主成分分析(PCA)和线性判别分析(LDA)，结果显示正常黏膜与OSCC的鉴别精确度为89.8%。Barroso等[25]对OSCC患者的组织切片进行拉曼光谱研究发现，肿瘤组织中水含量高于周围健康组织，在肿瘤边界到周围健康组织约4～6 mm的距离中，水含量急剧下降，并伴随着周围健康组织中水含量值标准差增加，这些差异可以指导手术的切除范围，减少术后复发的概率。Xue等[26]用血清表面增强拉曼光谱(SERS)检测不同分期和组织学分级的OSCC，发现不同T分期在724 cm-1和748 cm-1处峰强度不同，表明DNA或RNA中碱基的含量不同。不同N分期在724和748 cm-1处峰强度与不同T分期的光谱相似，提示区域淋巴结转移患者血清中核酸水平高于淋巴结未转移者。通过PCA和LDA对不同组织学分级光谱进行分类和诊断，准确率达90%，这对判断预后及疾病分期具有重要意义。

细针穿刺活检被认为是腮腺肿瘤的术前诊断操作之一，但它也存在一些缺陷和局限性，例如发生血肿和细菌感染[27]。Yan等[27]对Warthin瘤、腮腺多形性腺瘤、黏液表皮样癌以及腮腺正常组织中收集到的血清进行表面增强拉曼光谱(SERS)研究发现，正常组织与病变组织血清的光谱峰强度不同，提示腮腺肿瘤患者血清中核酸和蛋白质的含量改变。同时，不同腮腺肿瘤的谱峰存在统计学差异。将拉曼光谱与支持向量机结合对数据进行分析，成功鉴别出正常组织和肿瘤的准确度达86%。

3.5 拉曼光谱在口腔颌面部感染的应用

口腔颌面部感染病原菌的确定有赖于细菌培养技术。Arend等[28]分析中性粒细胞的拉曼光谱图像发现，感染细胞中代表核酸、蛋白质的光谱信号增加，代表脂质的光谱信号减少，区分感染和未感染细胞的准确率达90%。Khalid等[29]使用拉曼光谱技术发现感染金黄色葡萄球菌的骨组织中，胶原蛋白性质、骨骼矿化量、矿物质量以及结晶度都不同于正常骨组织。拉曼光谱技术无需细菌培养即可鉴别诊断，节省时间，减少了感染并发症的可能。

3.6 拉曼光谱在颌骨骨折中的应用

对于发生在颌骨的损伤，拉曼光谱能够进行早期诊断，不仅节省医疗成本，也减少并发症的发生，改善患者的预后。Shah[30]利用拉曼光谱评估骨成分，分析不同拉曼光谱峰与谱带的强度比和面积比，用来评估骨组织的成分。Ahmed等[31]对大鼠颅骨缺损愈合过程中骨成分的拉曼光谱进行研究，发现相比于正常骨组织，发生骨折的骨组织拉曼光谱中矿物/基质比值降低，碳酸盐/磷酸盐比值升高，结晶度降低，表明拉曼光谱可以鉴别病变与正常骨组织。

4 拉曼光谱在口腔材料学中的应用

拉曼光谱可以对口腔材料进行早期监测，有助于预防微渗漏的发生[32]。Soares等[33]将拉曼光谱和扫描电子显微镜结合研究饮料与漱口水对口腔材料化学性质的影响，结果发现在饮料和漱口水处理的样本中，纳米填充复合树脂和玻璃离子体材料的拉曼光谱峰强度均增加，这与材料发生降解有关。Talungchit等[34]通过拉曼光谱定量分析混合层中粘接剂的浓度，发现使用乙醇湿粘接和添加氯己定的样品中粘接剂浓度明显高于常规湿粘接的样品。因此，临床上联合使用乙醇湿粘接和氯己定，可以提高树脂粘接的耐久性。Fraulob等[35]对种植体周围新形成骨组织进行研究发现，拉曼光谱可以在纳米级评估局部骨组织中的矿物(羟基磷灰石)和有机物，解决了影像学难以区分新生骨与骨材料的困扰。

5 总结与展望

拉曼光谱技术在口腔诊疗中的应用，不仅包括了上述对口腔黏膜等软组织及牙体、颌骨等硬组织疾病的早期诊断与鉴别，还可以在手术中辅助确定恶性肿瘤的切除范围、对移植皮瓣术后的微观监测以及评估化疗药物体内局部的浓度等，拉曼光谱技术在口腔医学领域中有较高的应用前景。未来可通过附加的收集纤维器提高收集效率研发出超高灵敏度光纤探头以探测更深部组织；傅里叶拉曼光谱技术可以检测口腔脱落细胞，有望实现疾病快速筛查；利用显微拉曼光谱装载拉曼光谱信号靶向药实现精准给药；皮下注射针头内光纤拉曼光谱因其探针小，将其装载于机器人机械臂上，有望实现拉曼光谱引导下口腔精密手术。