大多數(shù)病變都深藏在人體內(nèi)部，其深度在體表下幾厘米到十幾厘米不等。目前臨床主要采用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)確定病變的位置，為確定治療策略、手術(shù)計劃和手術(shù)指導(dǎo)提供信息。例如，在光動力治療前對病變深度的估計可以幫助確定合適的藥物類型、劑量和激光參數(shù)。同時，在前哨淋巴結(jié)活檢時對淋巴結(jié)的準確深度估計有利于病灶的識別，縮短手術(shù)過程，減少手術(shù)中的出血風險。


(資料圖)

迄今為止，光學(xué)技術(shù)因其實時采集能力、非電離輻射等優(yōu)勢而備受關(guān)注。當前，深部病變的無創(chuàng)光學(xué)三維成像是臨床應(yīng)用的長期目標。特別地，采用純光學(xué)方法來確定活體環(huán)境中的病灶深度是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

表面增強拉曼光譜（SERS）在這一應(yīng)用中具有許多優(yōu)勢，其具有窄線寬的指紋光譜，可以明確區(qū)分目標光譜和組織背景，具有高通量檢測的潛力。透射拉曼光譜技術(shù)被開發(fā)用于深度SERS檢測。透射拉曼光譜是將激光照明區(qū)域和信號收集區(qū)域分離在樣品的對側(cè)，可抑制表層的背景噪聲，從而提高深層信號的信噪比。但是，在實現(xiàn)檢測的前提下，需要解決一個進一步的問題：如何確定病灶的位置？當前，基于透射拉曼光譜來估計渾濁介質(zhì)中病灶深度的方法目前也有少量報道。然而這些方法強烈依賴于在同一均質(zhì)組織中預(yù)測模型的預(yù)先校準，而對真正的復(fù)雜介質(zhì)，如超厚的非勻質(zhì)組織與真實活體組織，仍然具有極大挑戰(zhàn)性。

此前，上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院葉堅教授團隊已設(shè)計與搭建了一個具有深層檢測能力的拉曼檢測/成像系統(tǒng)，并成功在安全光照劑量內(nèi)通過體外14 cm厚的豬肉組織實現(xiàn)了對包埋在其中的納米探針標記的病灶仿體的檢測（In Vivo Surface-Enhanced Transmission Raman Spectroscopy Under Maximum Permissible Exposure: Toward Photosafe Detection of Deep-Seated Tumors. Small Methods, 2023, 7(2), 2201334）。

為解決病灶深度定位的問題，近日，葉堅教授和林俐助理教授帶領(lǐng)博士研究生張玉敏在前期研究的基礎(chǔ)上進一步提出了一種快速和穩(wěn)健的方法，利用比率透射拉曼光譜，對生物組織中的SERS病灶仿體的深度進行準確評估（如圖1）。相關(guān)成果“A rapid and universal method for depth estimation of lesions in heterogeneous tissues via photosafe ratiometric transmission Raman spectroscopy”發(fā)表在《VIEW》（2023）。該團隊首先從理論上研究了光子在生物組織中傳播的衰減，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)：（1）拉曼峰-峰強度比值的自然對數(shù)和深度之間存在線性關(guān)系；（2）線性關(guān)系的斜率可以根據(jù)兩個波長下拉曼光子的有效衰減系數(shù)提前計算出來，截距可以由純SERS納米探針的拉曼峰-峰強度比值的自然對數(shù)取得；（3）組織厚度、激光束大小、積分時間和激光功率等對線性關(guān)系的影響可以忽略。以上的關(guān)系表明無需事先了解組織厚度、納米探針的濃度或拉曼測量參數(shù)，可以利用拉曼峰-峰強度比值的自然對數(shù)來預(yù)測組織中病變的深度。

圖2. 均質(zhì)組織中SERS納米探針標記病灶的拉曼信號峰-峰比值對數(shù)與病灶深度的理論關(guān)系

基于上述發(fā)現(xiàn)，他們用前期開發(fā)的透射拉曼系統(tǒng)和安全的光照劑量，在實驗上證實了這種線性關(guān)系，并在超厚（3-5 cm）的離體豬脂肪和肌肉組織中實現(xiàn)了SERS納米探針標記病灶仿體的準確的深度計算，均方根誤差低至2.42%。此外，他們還證明了不同的拉曼峰對均具有深度預(yù)測的能力，這為選擇合適的拉曼峰對來避免背景組織的干擾提供了便利，多個拉曼峰的組合更為預(yù)測復(fù)雜組織中病變的深度提供了可能。

圖3. 異質(zhì)組織中SERS納米探針標記病灶的深度預(yù)測模型

因此，該團隊進一步地研究了上述線性關(guān)系在非均質(zhì)組織中的有效性。他們分析了在異質(zhì)組織模型中兩個拉曼峰強度比自然對數(shù)值與病灶深度間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)該關(guān)系曲線在每個組織交界面處都會發(fā)生變化，但同一類型的均質(zhì)組織在不同層的線性模型斜率是一致的，這主要是由兩個波長下拉曼光子的有效衰減系數(shù)之差決定的（如圖3）。根據(jù)此發(fā)現(xiàn)，考慮到拉曼光譜獨特的多峰與窄線寬特征，他們提出可以通過結(jié)合多個峰對的數(shù)據(jù)構(gòu)建超定方程組，進行非勻質(zhì)組織中病灶的快速深度預(yù)測。利用所構(gòu)建的方程組深度預(yù)測模型，他們成功在5 cm的離體異質(zhì)組織塊中實現(xiàn)了SERS病灶仿體的準確的深度預(yù)測，均方根誤差為8.35%（如圖4）。

圖4. 異質(zhì)組織中SERS納米探針標記病灶深度的實驗預(yù)測

最后，該團隊從理論上證實了上述深度預(yù)測模型在高度非勻質(zhì)組織中（如真實的體內(nèi)情況）進行病灶深度預(yù)測的可行性。這項技術(shù)具有快速、穩(wěn)健和通用的優(yōu)勢，可以分析復(fù)雜生物樣本中病變的深度信息，證明了比率透射拉曼引導(dǎo)的病變定位在實際臨床應(yīng)用中的巨大潛力。

論文的第一作者為上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院張玉敏博士，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教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、上海市科學(xué)技術(shù)委員會、上海交通大學(xué)、上海市婦科腫瘤重點實驗室的支持。本課題也由上海市教育發(fā)展基金會、上海市教委“晨光計劃”資助。

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