可用于疾病無(wú)創(chuàng)傳感和篩查的體內(nèi)表面增強(qiáng)拉曼檢測(cè)成像系統(tǒng)

中國(guó)江浙和歐洲，是葉堅(jiān)教授讀大學(xué)以來(lái)待過(guò)最久的兩個(gè)地區(qū)。早年，他在浙江大學(xué)和比利時(shí)天主教魯汶大學(xué)分別獲得碩士學(xué)位和博士學(xué)位。而他后來(lái)工作的比利時(shí)微電子研究中心（IMEC），與魯汶大學(xué)緊緊相鄰。

葉堅(jiān)說(shuō)：“在魯汶大學(xué)和IMEC我度過(guò)了8年時(shí)光。魯汶大學(xué)是歐洲最古老的大學(xué)之一，即將迎來(lái)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(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和深厚的文化底蘊(yùn)、IMEC勇于探索的做事風(fēng)格和先進(jìn)的技術(shù)理念，都給我?guī)?lái)了深遠(yuǎn)影響，讓我形成了從容的為人處世風(fēng)格和科研治學(xué)的態(tài)度?！?

2013年，葉堅(jiān)離開(kāi)比利時(shí)，回國(guó)加入上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，聚焦于納米技術(shù)與臨床醫(yī)學(xué)的交叉研究。前不久，他和團(tuán)隊(duì)將超亮的表面增強(qiáng)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(kāi)發(fā)出一款拉曼檢測(cè)/成像系統(tǒng)，讓拉曼光學(xué)信號(hào)可以穿透14厘米深的肌肉組織并進(jìn)行檢測(cè)。



（來(lái)源：Small Methods）

該技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用將在很大程度上推進(jìn)疾病的無(wú)創(chuàng)傳感和篩查。例如，表面增強(qiáng)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(cè)和深度多重分子成像，這說(shuō)明其作為心血管疾病臨床成像技術(shù)，具備不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

同時(shí)，當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)與透射拉曼裝置結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)活體小鼠深層血管炎癥的體內(nèi)、無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)成像。此外，還可通過(guò)多對(duì)激光探測(cè)器或旋轉(zhuǎn)激光探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)基于透射拉曼光譜的三維層析成像。

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

葉堅(jiān)認(rèn)為，未來(lái)很有希望開(kāi)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(fēng)險(xiǎn)。

另外，結(jié)合之前一些基于透射拉曼的深度估計(jì)方法，該項(xiàng)技術(shù)有望對(duì)肥胖患者體內(nèi)被厚脂肪覆蓋的前哨淋巴結(jié)，進(jìn)行精確定位和深度估計(jì)?？偟膩?lái)說(shuō)，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(qiáng)透射拉曼光譜：用于深層腫瘤的光安全檢測(cè)》（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(lái)源：Small Methods） 論文第一作者為上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院博士生張玉敏，上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院林俐助理教授和葉堅(jiān)教授為共同通訊作者。

光學(xué)檢測(cè)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(wú)創(chuàng)檢測(cè)，對(duì)于臨床醫(yī)學(xué)腫瘤診療至關(guān)重要。當(dāng)下，外科手術(shù)是治療惡性實(shí)體瘤的主要方法，一些醫(yī)學(xué)成像技術(shù)比如核磁共振、計(jì)算機(jī)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(shí)間長(zhǎng)、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(xué)檢測(cè)和成像方法具有實(shí)時(shí)、高靈敏、非電離輻射、采集方便等優(yōu)勢(shì)，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(xué)造影劑和導(dǎo)航系統(tǒng)已被開(kāi)發(fā)出來(lái)，借此可以使用寬場(chǎng)照明進(jìn)行大范圍成像、或者用手持式探頭逐點(diǎn)探測(cè)微小病灶。

目前，基于吲哚菁綠的分子影像導(dǎo)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(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化，并可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地檢測(cè)乳腺前哨淋巴結(jié)。

然而，現(xiàn)有的腫瘤光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展也面臨著相關(guān)瓶頸：組織穿透深度較低、無(wú)法檢測(cè)深層病灶，主要原因是生物組織對(duì)于光子有著強(qiáng)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(duì)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(wú)法檢測(cè)到距離胸膜深度超過(guò)1.3厘米的肺結(jié)節(jié)，從而會(huì)造成假陰性。因此，亟需開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠檢測(cè)深層病灶的光學(xué)方法，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的臨床醫(yī)學(xué)診斷也非常重要。

從目前已有報(bào)道來(lái)看，透射拉曼光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)具有高組織穿透能力的非侵入性檢測(cè)。但是，透射拉曼光譜技術(shù)的最新水平，依舊無(wú)法滿足實(shí)際生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的要求。

首先，之前文獻(xiàn)中報(bào)道的透射拉曼光譜技術(shù)的檢測(cè)深度或組織厚度，仍遠(yuǎn)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(guò)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(guò)10厘米的離體厚組織或活體動(dòng)物的可行性，至今尚未得到證實(shí)。

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

一般來(lái)說(shuō)，透射拉曼光譜信號(hào)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(qiáng)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(píng)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(xué)檢測(cè)和成像模式在臨床轉(zhuǎn)化中長(zhǎng)期受到關(guān)注的問(wèn)題。臨床激光的光安全性，一般通過(guò)最大允許曝光量來(lái)評(píng)估，即對(duì)身體暴露表面造成損害的風(fēng)險(xiǎn)可忽略不計(jì)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(qiáng)拉曼光譜研究里，人們使用的激光劑量遠(yuǎn)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(qiáng)拉曼光譜技術(shù)的臨床應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入研究并，最終解決了光照安全劑量的問(wèn)題。期間他們也發(fā)現(xiàn)了一些新知識(shí)：

第一，所檢測(cè)到的透射拉曼信號(hào)與病灶在組織中的深度，兩者之間呈U型關(guān)系，這說(shuō)明當(dāng)病變位于組織中部時(shí)，信號(hào)最弱、對(duì)透射拉曼光譜的檢測(cè)也最具挑戰(zhàn)性；

第二，提高表面增強(qiáng)拉曼散射納米探針的亮度，是增加檢測(cè)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(qiáng)度，即可采用更大光束的尺寸，來(lái)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(lái)源：Small Methods）

為什么能實(shí)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(jìn)行超高穿透深度的探索。課題組了解到，在已報(bào)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(cè)能力最強(qiáng)，并且他們也從初步試驗(yàn)中證明了這一觀點(diǎn)。

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

非常幸運(yùn)的是，提出目標(biāo)不久之后就被實(shí)現(xiàn)了。充滿喜悅的同時(shí)，也給該團(tuán)隊(duì)帶了極大的困惑，那就是為什么能實(shí)現(xiàn)？

此外，他們所發(fā)現(xiàn)的新知識(shí)——即透射拉曼信號(hào)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(duì)透射測(cè)量過(guò)程的物理機(jī)制進(jìn)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(duì)拉曼光子在組織中的傳播過(guò)程進(jìn)行研究，借此發(fā)現(xiàn)了前文提到的新知識(shí)，回答了大家的疑惑：即為什么能實(shí)現(xiàn)10厘米以上的穿透深度。



（來(lái)源：Small Methods）

接下來(lái)則是在安全激光照射范圍內(nèi)，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)以及論文撰寫(xiě)。葉堅(jiān)表示：“我們?cè)诎焉弦浑A段得到的結(jié)果和同行交流，得到了一個(gè)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(shí)現(xiàn)呢？’”

對(duì)于活體檢測(cè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題非常重要。因?yàn)榧す獍踩允枪鈱W(xué)模式臨床轉(zhuǎn)化中長(zhǎng)期關(guān)注的問(wèn)題。

臨床激光通常被規(guī)定一個(gè)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(qiáng)拉曼光譜研究，所使用的激光劑量遠(yuǎn)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(qiáng)拉曼光譜技術(shù)的臨床應(yīng)用。

于是，他們?cè)俅伍_(kāi)展理論計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)增大激光光束尺寸時(shí)，雖然會(huì)降低激光功率密度、影響淺表病灶的信號(hào)強(qiáng)度，但幾乎不會(huì)影響深層病灶的信號(hào)強(qiáng)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(kuò)散趨勢(shì)。因此無(wú)論是使用聚焦光束還是擴(kuò)散光束，對(duì)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(kuò)散光束，實(shí)現(xiàn)深層病灶的檢測(cè)，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(guò)多方努力我們終于從光子傳輸理論中窺見(jiàn)端倪，初步得到了令人滿意的答案。對(duì)于將透射拉曼光譜技術(shù)用于無(wú)創(chuàng)體內(nèi)生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)，這一發(fā)現(xiàn)是至關(guān)重要的?！比~堅(jiān)說(shuō)。



（來(lái)源：Small Methods）

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

在當(dāng)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(xué)成像著手，借此確定病變的位置。從治療策略的設(shè)計(jì)、到手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)指導(dǎo)，預(yù)估體表以下病灶的深度，對(duì)于臨床診斷起著關(guān)鍵作用。

例如，在對(duì)患者進(jìn)行光動(dòng)力治療之前，精確估計(jì)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(shí)別和切除前哨淋巴結(jié)。準(zhǔn)確估計(jì)前哨淋巴結(jié)的深度，可以縮短手術(shù)識(shí)別過(guò)程，降低前哨淋巴結(jié)切除過(guò)程中出血的風(fēng)險(xiǎn)。

在腫瘤治療方面，腫瘤深度信息可以用來(lái)判斷結(jié)直腸癌的分期，進(jìn)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(duì)于臨床診治的重要性不言而喻。

后續(xù)，該團(tuán)隊(duì)希望在此方向繼續(xù)深入探索，計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單、光安全的方法，以便快速、準(zhǔn)確地判斷組織中深層病變的深度信息。

審核編輯：劉清