消化道肿瘤的“光活检”
【陆军军医大学彭贵勇教授研究团队】


        1928年印度科学家C. V. 拉曼教授首次发现了拉曼散射效应,即当入射光透过介质可以发生散射,其原理是入射光与介质中的分子发生了非弹性碰撞,使分子振动和转动能级跃迁,发生能量交换,导致散射光的频率出现了改变。入射光频率与散射光频率之差即拉曼位移。对于同一物质,拉曼位移与入射光的波长无关,而是与样品内部分子的振动和转动有关。

        每种物质都有其独特的“拉曼指纹”光谱,分子内部的各种官能团如 C=C、N-H、C-H、C=O、C-N、C≡C、苯环等分别具有特定的拉曼特征峰。拉曼光谱可以用于物质的定性和定量分析。拉曼光谱中一些较尖锐的峰,是样品中特定分子的特征,因而适用于定性分析;而在其他条件不变的情况下,独立拉曼区间的强度和振动官能团的数量有关,使其也可用于定量分析。对拉曼光谱进行分析,可以得到分子振动和转动的规律及其变化特征,因而可以用于分子的结构分析。拉曼光谱技术具有快速、简便、痕量、可重复、无损等优势,且几乎不受水的干扰,因而特别适用于医学领域的研究。

        组织细胞癌变起源于一系列生理代谢及分子生化改变,如核酸合成明显增加,主侧链断裂;细胞内蛋白质结构和相对含量的改变;细胞膜流动性增加等。癌细胞内部分子发生了改变,从而可以产生特征性拉曼光谱。对癌变组织进行拉曼光谱检测,可以得到癌变特征性拉曼光谱。通过位移、强度、峰数等光谱差异分析,发现癌组织内部分子化学键、官能团的振动改变,从而探索癌组织中分子构型构象、相对含量及存在状态等的改变。光纤拉曼光谱系统与传统病理诊断方法相比,以其无创、高效、特异、快速的优势为临床消化道肿瘤的诊断研究提供了新的方法,堪称消化道肿瘤诊断的“光活检”。

        陆军军医大学全军消化病研究所彭贵勇教授研究团队致力于拉曼光谱对消化道肿瘤的研究,组建了与内镜检查相匹配的光纤拉曼系统,如下图所示。


光纤拉曼内镜检查系统

        作者采用光纤拉曼光谱系统对胃正常粘膜和胃腺癌粘膜进行了拉曼光谱检测,比较了胃正常和胃腺癌粘膜的拉曼光谱差异,以及连续频带(1500~1700 cm-1)和非连续频带(1100~1200 cm-1)内积分能量比。结果表明,胃腺癌粘膜位于 1002 cm-1、 1073 cm-1、1450 cm-1、1655 cm-1 归属于苯丙氨酸和蛋白质的拉曼峰强度比正常粘膜相对增高,胃正常和胃腺癌粘膜在连续频带内和非连续频带积分能量差异明显,并以积分能量的比值来作为诊断指标,获得的准确度达到 97.5%~98.5%,敏感度达到 91.7%和特异度达到 100.0%。另外,应用本系统采集了正常组织、食管低分化癌和鳞状细胞癌的拉曼光谱,发现癌组织与正常组织之间存在明显的差异。与正常组织光谱相比,食管癌组织光谱在 1100~1400 cm-1范围内具有更宽的谱峰半高宽(half-height width,HHW)。从 1500 cm-1到 1600 cm-1,癌组织的光谱积分能量高于正常组织的光谱积分能量。在1200~1400 cm-1范围内,每种癌谱的 HHW几乎是正常组织的两倍。对于1600~1700 cm-1和 1500~1600 cm-1之间的光谱积分能量的比率,癌组织和正常组织样品之间有 2 倍的差异。

研究团队简介
陆军军医大学彭贵勇教授团队长期致力于拉曼光谱对消化道肿瘤诊断的研究,应用显微拉曼光谱技术对癌变胃粘膜组织的光谱特性及胃粘膜癌变相关分子(蛋白质、RNA等)生化改变的拉曼光谱进行了分析研究,并于体外完成了联合使用指纹区及高波数区拉曼光谱结合偏最小二乘法建立模型来诊断胃癌,组建了光纤拉曼光谱系统对胃癌和食管癌进行诊断研究,引入积分能量比和谱峰半高宽作为诊断指标,并取得很高的诊断效能,获得国家自然科学基金和专项基金支持,在国内外专业期刊发表多篇论著。


相关论文
尹立建, 饶云江, 代剑华, 等. 光纤拉曼光谱系统对胃癌的快速诊断的可行性研究[J]. 光电工程, 2019, 46(4): 180645. 
DOI: 10.12086/oee.2019.180645