可用于疾病無創(chuàng)傳感和篩查的體內(nèi)表面增強拉曼檢測成像系統(tǒng)

中國江浙和歐洲，是葉堅教授讀大學以來待過最久的兩個地區(qū)。早年，他在浙江大學和比利時天主教魯汶大學分別獲得碩士學位和博士學位。而他后來工作的比利時微電子研究中心（IMEC），與魯汶大學緊緊相鄰。

葉堅說：“在魯汶大學和IMEC我度過了8年時光。魯汶大學是歐洲最古老的大學之一，即將迎來600周年校慶；IMEC是世界領(lǐng)先的微電子研究中心。古老和現(xiàn)代在這里碰撞和融合，歐洲大學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和深厚的文化底蘊、IMEC勇于探索的做事風格和先進的技術(shù)理念，都給我?guī)砹松钸h影響，讓我形成了從容的為人處世風格和科研治學的態(tài)度。”

2013年，葉堅離開比利時，回國加入上海交通大學生物醫(yī)學工程學院，聚焦于納米技術(shù)與臨床醫(yī)學的交叉研究。前不久，他和團隊將超亮的表面增強拉曼光譜（SERS，Surface-enhanced Raman spectroscopy）納米探針，與自制的透射拉曼裝置相結(jié)合，開發(fā)出一款拉曼檢測/成像系統(tǒng)，讓拉曼光學信號可以穿透14厘米深的肌肉組織并進行檢測。



（來源：Small Methods）

該技術(shù)的進一步應(yīng)用將在很大程度上推進疾病的無創(chuàng)傳感和篩查。例如，表面增強拉曼光譜已被成功用于人源化小鼠模型血管炎癥的體內(nèi)檢測和深度多重分子成像，這說明其作為心血管疾病臨床成像技術(shù)，具備不錯的應(yīng)用前景。

同時，當這項技術(shù)與透射拉曼裝置結(jié)合，有望實現(xiàn)活體小鼠深層血管炎癥的體內(nèi)、無創(chuàng)、實時成像。此外，還可通過多對激光探測器或旋轉(zhuǎn)激光探測器，實現(xiàn)基于透射拉曼光譜的三維層析成像。

不過，也要注意到透射拉曼光譜的現(xiàn)有不足——即分辨率相對較低。在生物醫(yī)學應(yīng)用中，納米探針的生物安全性和靶向腫瘤的效率等問題也很重要，特別是在體內(nèi)成像方面，而這可以通過選擇合適的表面涂層或配體來改善。

葉堅認為，未來很有希望開發(fā)局部注射或使用納米探針的體內(nèi)應(yīng)用，比如在前哨淋巴結(jié)成像的用途中，一般是在腫瘤周圍注射納米顆粒，切除前哨淋巴結(jié)、以及其包含的納米顆粒，從而顯著降低安全風險。

另外，結(jié)合之前一些基于透射拉曼的深度估計方法，該項技術(shù)有望對肥胖患者體內(nèi)被厚脂肪覆蓋的前哨淋巴結(jié)，進行精確定位和深度估計。總的來說，課題組非常期待關(guān)于透射拉曼光譜的臨床應(yīng)用。

近日，相關(guān)論文以《在最大允許暴露下的體內(nèi)表面增強透射拉曼光譜：用于深層腫瘤的光安全檢測》（In Vivo Surface-Enhanced Transmission Raman Spectroscopy Under Maximum Permissible Exposure: Toward Photosafe Detection of Deep-Seated Tumors）為題發(fā)在Small Methods期刊上（IF 15.4）。



圖 | 相關(guān)論文（來源：Small Methods） 論文第一作者為上海交通大學生物醫(yī)學工程學院博士生張玉敏，上海交通大學生物醫(yī)學工程學院林俐助理教授和葉堅教授為共同通訊作者。

光學檢測和成像方法：腫瘤診斷的絕佳工具

據(jù)介紹，體內(nèi)腫瘤病灶的無創(chuàng)檢測，對于臨床醫(yī)學腫瘤診療至關(guān)重要。當下，外科手術(shù)是治療惡性實體瘤的主要方法，一些醫(yī)學成像技術(shù)比如核磁共振、計算機斷層掃描和超聲成像等，雖然可以獲得內(nèi)部腫瘤病灶的位置信息，但是由于采集時間長、儀器昂貴或輻射劑量大等原因，更多被用于術(shù)前診斷。

與之相比，光學檢測和成像方法具有實時、高靈敏、非電離輻射、采集方便等優(yōu)勢，結(jié)合外源性造影劑可以提供關(guān)于生物體結(jié)構(gòu)、功能和分子的精確信息，是腫瘤診斷的絕佳工具。

目前，多種光學造影劑和導航系統(tǒng)已被開發(fā)出來，借此可以使用寬場照明進行大范圍成像、或者用手持式探頭逐點探測微小病灶。

目前，基于吲哚菁綠的分子影像導航，在肺癌、腦膠質(zhì)瘤、乳腺癌、肝癌和結(jié)直腸癌等腫瘤手術(shù)中均已實現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化，并可以實時、動態(tài)地檢測乳腺前哨淋巴結(jié)。

然而，現(xiàn)有的腫瘤光學檢測技術(shù)的進一步發(fā)展也面臨著相關(guān)瓶頸：組織穿透深度較低、無法檢測深層病灶，主要原因是生物組織對于光子有著強烈的散射與吸收作用。

例如，近紅外區(qū)域肌肉組織的傳輸平均自由程只有1-2毫米。目前廣泛使用的背散射式熒光成像技術(shù)的組織穿透深度通常只有幾毫米，對于1厘米以上的深層病灶容易出現(xiàn)漏診。

比如，臨床結(jié)果顯示，基于吲哚菁綠的術(shù)中成像，無法檢測到距離胸膜深度超過1.3厘米的肺結(jié)節(jié)，從而會造成假陰性。因此，亟需開發(fā)一個能夠檢測深層病灶的光學方法，這對于實現(xiàn)高質(zhì)量的臨床醫(yī)學診斷也非常重要。

從目前已有報道來看，透射拉曼光譜技術(shù)可以實現(xiàn)具有高組織穿透能力的非侵入性檢測。但是，透射拉曼光譜技術(shù)的最新水平，依舊無法滿足實際生物醫(yī)學應(yīng)用的要求。

首先，之前文獻中報道的透射拉曼光譜技術(shù)的檢測深度或組織厚度，仍遠低于與人類相關(guān)的數(shù)值。

例如，人類的腹背距離淵源超過10厘米：兒童的平均厚度為17厘米，成人為22厘米。而使用透射拉曼光譜穿透超過10厘米的離體厚組織或活體動物的可行性，至今尚未得到證實。

其次，人們依舊不清楚光子在透射拉曼檢測中的傳播過程以及測量因素，亦不明確信號受到影響的規(guī)律。

一般來說，透射拉曼光譜信號不僅受到組織散射和吸收系數(shù)的影響，還可能與表面增強拉曼散射納米探針的亮度、埋藏病變的深度、組織的總厚度等因素有關(guān)。評估這些決定性因素之間的關(guān)系，也是必不可少的。

再次，激光安全性是光學檢測和成像模式在臨床轉(zhuǎn)化中長期受到關(guān)注的問題。臨床激光的光安全性，一般通過最大允許曝光量來評估，即對身體暴露表面造成損害的風險可忽略不計的最高光輻照度或輻射量。

然而，在大多數(shù)體內(nèi)表面的增強拉曼光譜研究里，人們使用的激光劑量遠高于最大允許曝光量極限，這在很大程度上阻礙了表面增強拉曼光譜技術(shù)的臨床應(yīng)用。

針對上述問題，該團隊進行了深入研究并，最終解決了光照安全劑量的問題。期間他們也發(fā)現(xiàn)了一些新知識：

第一，所檢測到的透射拉曼信號與病灶在組織中的深度，兩者之間呈U型關(guān)系，這說明當病變位于組織中部時，信號最弱、對透射拉曼光譜的檢測也最具挑戰(zhàn)性；

第二，提高表面增強拉曼散射納米探針的亮度，是增加檢測深度/透射組織厚度最直接有效的方法；

第三，激光束尺寸的增大幾乎不影響深層病灶的透射拉曼強度，即可采用更大光束的尺寸，來降低激光的功率密度。得益于這些發(fā)現(xiàn)，讓他們獲得了本次成果。



（來源：Small Methods）

為什么能實現(xiàn)10厘米以上的穿透深度？

前文提到，該研究的大方向是利用深拉曼技術(shù)進行超高穿透深度的探索。課題組了解到，在已報道的深拉曼光譜技術(shù)中，透射拉曼光譜技術(shù)的深層檢測能力最強，并且他們也從初步試驗中證明了這一觀點。

如前所述，透射拉曼光譜技術(shù)的最新水平還不能滿足實際生物醫(yī)學應(yīng)用的要求。因此，他們定下了這樣一個研究目標：實現(xiàn)10厘米以上超高組織檢測深度/厚度。

非常幸運的是，提出目標不久之后就被實現(xiàn)了。充滿喜悅的同時，也給該團隊帶了極大的困惑，那就是為什么能實現(xiàn)？

此外，他們所發(fā)現(xiàn)的新知識——即透射拉曼信號與病灶在組織中的深度兩者之間是呈U型關(guān)系的，這和想象中的差異很大。

基于上述發(fā)現(xiàn)和困惑，課題組提出了新的探索方向，對透射測量過程的物理機制進行深入挖掘。

期間，他們利用光子傳輸理論與輻射傳遞方程，對拉曼光子在組織中的傳播過程進行研究，借此發(fā)現(xiàn)了前文提到的新知識，回答了大家的疑惑：即為什么能實現(xiàn)10厘米以上的穿透深度。



（來源：Small Methods）

接下來則是在安全激光照射范圍內(nèi)，進行相關(guān)實驗以及論文撰寫。葉堅表示：“我們在把上一階段得到的結(jié)果和同行交流，得到了一個重要的反饋：‘這么高的穿透深度，能不能用極低的激光功率實現(xiàn)呢？’”

對于活體檢測應(yīng)用來說，這個問題非常重要。因為激光安全性是光學模式臨床轉(zhuǎn)化中長期關(guān)注的問題。

臨床激光通常被規(guī)定一個最大允許曝光量的閾值，然而目前大多數(shù)體內(nèi)表面增強拉曼光譜研究，所使用的激光劑量遠高于最大允許曝光量極限，這在很大程度上阻礙了表面增強拉曼光譜技術(shù)的臨床應(yīng)用。

于是，他們再次開展理論計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增大激光光束尺寸時，雖然會降低激光功率密度、影響淺表病灶的信號強度，但幾乎不會影響深層病灶的信號強度。

原因在于，生物組織是高度散射體，光束在組織中傳播后都將呈現(xiàn)擴散趨勢。因此無論是使用聚焦光束還是擴散光束，對于深層病灶都是一樣的效果。

這意味著課題組可以直接采用更大尺寸的擴散光束，實現(xiàn)深層病灶的檢測，從而顯著降低照射到組織表面的激光功率密度。

“總而言之，經(jīng)過多方努力我們終于從光子傳輸理論中窺見端倪，初步得到了令人滿意的答案。對于將透射拉曼光譜技術(shù)用于無創(chuàng)體內(nèi)生物醫(yī)學檢測，這一發(fā)現(xiàn)是至關(guān)重要的?！比~堅說。



（來源：Small Methods）

既然此次工作實現(xiàn)的是深層病灶的無創(chuàng)檢測，那么進一步地能否在檢測這些深埋于表面以下的病變的同時，獲取它們的深度信息？

在當前的臨床程序里，通常人們從經(jīng)皮或術(shù)中掃描的醫(yī)學成像著手，借此確定病變的位置。從治療策略的設(shè)計、到手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)指導，預(yù)估體表以下病灶的深度，對于臨床診斷起著關(guān)鍵作用。

例如，在對患者進行光動力治療之前，精確估計病變的深度有助于確定藥物類型、劑量和激光參數(shù)。

此外，前哨淋巴結(jié)活檢，通常包括識別和切除前哨淋巴結(jié)。準確估計前哨淋巴結(jié)的深度，可以縮短手術(shù)識別過程，降低前哨淋巴結(jié)切除過程中出血的風險。

在腫瘤治療方面，腫瘤深度信息可以用來判斷結(jié)直腸癌的分期，進而幫助制定治療策略。

綜上，發(fā)現(xiàn)病變并獲取病變深度信息，對于臨床診治的重要性不言而喻。

后續(xù)，該團隊希望在此方向繼續(xù)深入探索，計劃開發(fā)一種簡單、光安全的方法，以便快速、準確地判斷組織中深層病變的深度信息。

審核編輯：劉清