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內(nèi)窺醫(yī)用拉曼光譜:現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的新興工具

來(lái)源:北京先鋒泰坦科技有限公司   2024年10月10日 14:01  

生物組織由細(xì)胞構(gòu)成,而細(xì)胞由蛋白質(zhì)、核酸、脂肪等拉曼信號(hào)較強(qiáng)的基本物質(zhì)構(gòu)成。疾病的產(chǎn)生往往伴隨組織和細(xì)胞的惡變,最早體現(xiàn)在蛋白質(zhì)、核酸、脂肪等基本構(gòu)成物分子結(jié)構(gòu)構(gòu)象或數(shù)量上的變化,但疾病初期這些變化的臨床癥狀和醫(yī)學(xué)影像表現(xiàn)往往并不明顯,因此對(duì)于初期癥狀不太明顯的病癥檢測(cè)仍需要尋求一些其他的技術(shù)手段和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)早期診斷!

拿腫瘤檢測(cè)舉例,腫瘤的三種主要檢測(cè)方法為腫瘤標(biāo)志檢測(cè)、組織病理學(xué)診斷和影像學(xué)診斷[1]。腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)易受個(gè)體差異以及某些良性疾病的影響,一般只能作為輔助手段;組織病理學(xué)診斷是腫瘤診斷臨床應(yīng)用上的“金標(biāo)準(zhǔn)”,該方法從組織和細(xì)胞尺度上進(jìn)行腫瘤的診斷。組織病理學(xué)是一門非常復(fù)雜的學(xué)科,要求檢測(cè)人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn),對(duì)檢測(cè)人員的專業(yè)性要求較高,且診斷的時(shí)效差,屬于有創(chuàng)的診斷方式。影像學(xué)診斷一般借助熒光成像或者其他顯微成像技術(shù),會(huì)引入外部標(biāo)記物,可能無(wú)法反應(yīng)正常的細(xì)胞環(huán)境。

拉曼光譜是一種分子診斷技術(shù),在生物分子水平上顯示出組織病理學(xué)評(píng)估的前景,在過(guò)去的20年中,通過(guò)全面的體外研究,拉曼光譜的準(zhǔn)確診斷能力已經(jīng)積累了大量的證據(jù)。

拉曼光譜具有以下優(yōu)勢(shì):

• 高特異性: 拉曼光譜對(duì)分子的特異性非常高,可以準(zhǔn)確識(shí)別不同生物分子,有助于對(duì)腫瘤組織和正常組織進(jìn)行區(qū)分。

• 非侵入性: 拉曼光譜無(wú)需破壞樣品,是一種非侵入性的檢測(cè)方法,可以在活體組織中進(jìn)行。

• 實(shí)時(shí)性: 拉曼光譜提供實(shí)時(shí)的分子信息,可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手術(shù)中組織的生物化學(xué)變化。

• 化學(xué)多樣性: 拉曼光譜可以同時(shí)檢測(cè)多種生物分子,包括蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等,提供了對(duì)生物組織化學(xué)構(gòu)成的全面了解。

• 無(wú)需標(biāo)記: 拉曼光譜無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)記,避免了對(duì)生物體的額外處理,簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程。

• 對(duì)水不敏感:水的拉曼信號(hào)較弱,所以細(xì)胞可以在水環(huán)境中成像,這意味著活細(xì)胞成像是可能的.

傳統(tǒng)的基于拉曼光譜的腫瘤診斷方法有體內(nèi)診斷和體外診斷。體外診斷通常采集腫瘤組織或癌細(xì)胞系、血液或血液成分、腫瘤標(biāo)志物(CTC)等原材料進(jìn)行拉曼光譜數(shù)據(jù)的采集,采集到的數(shù)據(jù)多采用主成分分析-線性判別分析(PCA-LDA)等多變量統(tǒng)計(jì)分析方法來(lái)分析,著力尋找正常樣本以及不同分期的癌變樣本之間的光譜差異,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同腫瘤的診斷,根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,已經(jīng)可以通過(guò)拉曼光譜診斷出不通過(guò)部位的惡性腫瘤(癌癥),如膀胱癌,腦癌、肺癌、食管癌等;但是這種光譜差異往往不是很明顯,只通過(guò)操作人員的經(jīng)驗(yàn)很難進(jìn)行腫瘤的分期判別;人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)算法引入,通過(guò)大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練,讓算法自動(dòng)尋找差異并且判別是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。常規(guī)的體外診斷一般可以采用顯微共焦拉曼來(lái)進(jìn)行測(cè)試,根據(jù)樣品的不同選擇合適的激發(fā)波長(zhǎng)即可。

相比于體外診斷,利用拉曼探頭進(jìn)行體內(nèi)診斷的難度更大;主要體現(xiàn)在:

1. 體內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜,對(duì)探頭的要求較高,需要一定的耐腐蝕設(shè)計(jì);

2. 由于信號(hào)較弱,并且信號(hào)需要通過(guò)光纖的形式輸出到光譜儀中,對(duì)探頭的收光能力要求較高;

3. 由于探頭的收光能力一般比顯微系統(tǒng)中物鏡的收光能力差,所以對(duì)后端光譜儀的通光能力要求非常高。

4. 跟內(nèi)窺鏡結(jié)合一般要求實(shí)時(shí)得到數(shù)據(jù)并且跟數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),給出組織的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),以便給操作人員對(duì)應(yīng)的指導(dǎo)。

雖然困難重重,但是科研人員依舊取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。

案例1:巴*特食管是食管腺癌的前兆,早期識(shí)別異型增生等高危病變對(duì)于提高患者生存率至關(guān)重要。用于診斷BE異型增生的傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡檢查受到診斷準(zhǔn)確性差和需要大量活檢取樣的限制,導(dǎo)致高昂的醫(yī)療成本和患者負(fù)擔(dān)。在新加坡進(jìn)行的研究涉及從373名具有不同組織學(xué)亞型的上消化道患者身上獲取體內(nèi)組織拉曼光譜,從而構(gòu)建了一個(gè)用于診斷BE異型增生的綜合拉曼庫(kù),該系統(tǒng)允許在內(nèi)窺鏡檢查期間進(jìn)行實(shí)時(shí)、無(wú)創(chuàng)或微創(chuàng)光學(xué)活檢,以更高的精度針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)組織區(qū)域[2]

內(nèi)窺醫(yī)用拉曼光譜:現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的新興工具

圖1  實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

案例2:炎癥性腸病(IBD)影響著全球大量個(gè)體,區(qū)分潰瘍性結(jié)腸炎(UC)和克羅恩病(CD) 缺乏金標(biāo)準(zhǔn)。研究人員介紹了一項(xiàng)使用拉曼光譜對(duì)炎癥性腸病 (IBD) 進(jìn)行臨床表征的研究,重點(diǎn)關(guān)注潰瘍性結(jié)腸炎(UC) 和克羅恩病(CD)。使用基于結(jié)腸鏡耦合光纖探針的拉曼光譜進(jìn)行了一項(xiàng)體內(nèi)研究,以識(shí)別UC和CD的光譜特征。通過(guò)使用統(tǒng)計(jì)技術(shù)分析收集到的光譜,他們開發(fā)了一種預(yù)測(cè)算法,在區(qū)分CD方面實(shí)現(xiàn)了90%的靈敏度和75%的特異性[3]

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

案例3:如果在手術(shù)過(guò)程中沒(méi)有檢測(cè)到所有的癌細(xì)胞,手術(shù)作為-種癌癥治療的有效性就會(huì)降低,從而導(dǎo)致復(fù)發(fā),對(duì)生存產(chǎn)生負(fù)面影響。為了在癌癥手術(shù)中最大限度地檢測(cè)癌細(xì)胞,研究人員設(shè)計(jì)了一種術(shù)中原位、無(wú)標(biāo)記、光學(xué)癌癥檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)結(jié)合了固有熒光光譜、漫反射光譜和拉曼光譜。使用這種多模態(tài)光學(xué)癌癥檢測(cè)系統(tǒng),我們發(fā)現(xiàn)腦癌、肺癌、結(jié)腸癌和皮膚癌可以在手術(shù)中原位檢測(cè),其準(zhǔn)確性、靈敏度和特異性分別為97%、100%和93%。這種高靈敏度的光學(xué)分子成像方法可以深刻地影響廣泛的外科和無(wú)創(chuàng)介入腫瘤學(xué)的范圍程序,通過(guò)提高癌癥檢測(cè)能力,從而減輕癌癥負(fù)擔(dān),提高生存率和質(zhì)量生活[4]。

內(nèi)窺醫(yī)用拉曼光譜:現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的新興工具

圖3 多模態(tài)光譜檢測(cè)系統(tǒng)

卓立漢光可以提供體外顯微共聚焦拉曼光譜儀, 也能提供醫(yī)用內(nèi)窺拉曼光譜儀。

1. 顯微共聚焦拉曼光譜儀 finder930。

內(nèi)窺醫(yī)用拉曼光譜:現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的新興工具

Finder930全自動(dòng)化拉曼光譜儀在卓立經(jīng)典的共聚焦拉曼光譜儀的基礎(chǔ)上,新增了多種全新技術(shù),非常適用于體外的組織拉曼成像診斷測(cè)試:

1) 采用針孔共聚焦設(shè)計(jì),空間分辨達(dá)到500nm,軸向分辨<1um,極大程度抑制了非共聚焦點(diǎn)外的熒光或者其他背景干擾;

2) 引入了高精度的自動(dòng)化電動(dòng)控制系統(tǒng),智能控制激光切換、激光功率、共焦針孔大小,使設(shè)備更加智能,操作更加簡(jiǎn)單;

3) 嚴(yán)苛的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),讓設(shè)備穩(wěn)定性大幅提升,開機(jī)即用,無(wú)需專人維護(hù)。

2. 醫(yī)用內(nèi)窺拉曼光譜儀

醫(yī)用拉曼光譜儀基于我們獨(dú)*代理的EMVISION 的內(nèi)窺拉曼探頭,結(jié)合自主研發(fā)的透射光譜儀和科研級(jí)制冷型CCD,超大的光通量可以保證盡可能的信號(hào)損失,超高的靈敏度可以保證*高的信噪比,光纖耦合,易于與內(nèi)窺鏡結(jié)合使用。

拉曼光譜儀

• 光譜儀結(jié)構(gòu):VPH透射光柵光譜儀

• 激光激發(fā)波長(zhǎng):785 nm

• 拉曼頻移范圍:350 cm-1 to 2,400 cm-1

• 光譜儀入口狹縫:10um-6mm可調(diào)

• 光譜儀F/#通光口徑:f/2.3

• 光譜儀分辨率:優(yōu)于5cm-1

• 光譜儀接口:SMA/MPO/10mm圓柱

光譜CCD

• 具有高像元分辨率的CCD芯片,分辨率≥2000x256

• 可見近紅外拉曼專用CCD,量子效率在700nm-870nm區(qū)間處>90%,

• 深制冷溫度至-60C

• 讀出噪聲< 5電子/像元

光纖拉曼探頭

內(nèi)窺醫(yī)用拉曼光譜:現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的新興工具

• 高靈敏度光纖探頭(內(nèi)窺版本)

• Y型光纖,分為激光端,光譜儀端和樣品端。醫(yī)用尼龍包層,可直接用于皮膚,腦組織等生物樣品拉曼檢測(cè)。

• 激光端:FC/PC光纖接口,300um芯徑光纖,單芯

• 光譜儀端:專*Snap-in即插即用接口,300um芯徑光纖,6芯,排成一行

• 樣品端:探頭尾部直徑<2.1mm,金屬部分長(zhǎng)度6.5mm

• 樣品端包含785的干涉濾光片,785的高通濾光片,微透鏡,焦距500um

• 光纖總長(zhǎng)度3米

光纖拉曼探頭

• 高靈敏度光纖探頭(非內(nèi)窺版本)

• Y型光纖,分為激光端,光譜儀端和樣品端。醫(yī)用尼龍包層,可直接用于皮膚,腦組織等生物樣品拉曼檢測(cè)。

• 激光端:FC/PC光纖接口,300um芯徑光纖,單芯

• 光譜儀端:專*即插即用接口,300um芯徑光纖,6芯,排成一行樣品端:手持部分約 100mm,探頭尾部直徑<2.1mm。

• 樣品端包含 785 的干涉濾光片,785 的高通濾光片,微透鏡,焦距 500um。

• 光纖總長(zhǎng)度3米

激光器

• 光纖激光器,785nm,350mW,F(xiàn)C-PC接口,<0.15nm帶寬

3. Finder Insight Pro 系列小型激光拉曼光譜儀

Finder Insight Pro 系列小型激光拉曼光譜儀是經(jīng)過(guò)性能優(yōu)化的一款小型化的研究級(jí)拉曼光譜儀,它采用了科研級(jí)高靈敏度檢測(cè)器和大通光量的分光系統(tǒng),可選配96孔測(cè)試板,配合軟件進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)量操作。

1) 單點(diǎn)測(cè)量與順序測(cè)量,單譜采集、連續(xù)采集、間隔采集等模式,用戶自由選擇;

2) 可選配數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行未知樣品比對(duì)測(cè)量;

3) 內(nèi)置電池,小巧輕便,可便攜攜帶;

內(nèi)窺醫(yī)用拉曼光譜:現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的新興工具

參考文獻(xiàn):

[1]Qi Yafeng, Liu Yuhong, Liu Dameng. Research Progress on Application of Raman Spectroscopy in Tumor Diagnosis[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(22): 220001

[2]Lambert JE, Ramos-Roman MA, Browning JD, Parks EJ. Increased de novo lipogenesis is a distinct characteristic of individuals with nonalcoholic fatty liver disease. Gastroenterology. 2014 Mar;146(3):726-35. doi: 10.1053/j.gastro.2013.11.049. Epub 2013 Dec 4.

[3]Li Y, Jing J, Qu Y, Miao Y, Zhang B, Ma T, Yu M, Zhou Q, Chen Z. Fully integrated optical coherence tomography, ultrasound, and indocyanine green-based fluorescence tri-modality system for intravascular imaging. Biomed Opt Express. 2017 Jan 24;8(2):1036-1044.

[4]Michael Jermyn, Jeanne Mercier, Kelly Aubertin, Joannie Desroches, Kirk Urmey, Jason Karamchandiani, Eric Marple, Marie-Christine Guiot, Frederic Leblond, Kevin Petrecca; Highly Accurate Detection of Cancer In Situ with Intraoperative, Label-Free, Multimodal Optical Spectroscopy. Cancer Res 15 July 2017; 77 (14): 3942–3950.

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