表面增強拉曼光譜技術(shù)在惡性腫瘤診斷中的應用

張姿博，李俁君 綜述，崔曉楠，張春霞 審校

大連醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院腫瘤二科，遼寧大連 116011

惡性腫瘤是一種發(fā)病率和死亡率較高的疾病，其有生存期短、癌痛癥狀較重、治療不良反應大等特點，嚴重影響患者的身體健康和生活質(zhì)量。因此，惡性腫瘤的早發(fā)現(xiàn)、早診斷是臨床診療工作中的關(guān)鍵。隨著醫(yī)學科學技術(shù)的不斷提高，已有一些實驗室檢測方法、物理成像技術(shù)和病理組織活檢等技術(shù)手段用于癌癥診斷，但其存在誤差大、效率低、成本高、耗時長、創(chuàng)傷大等缺點。近年來，一種高效、準確的物理技術(shù)表面增強拉曼光譜(SERS)在惡性腫瘤中的應用日益受到醫(yī)學界的關(guān)注。SERS是光譜學的一種，以拉曼散射效應為基礎(chǔ)，而后相繼衍生出相干拉曼散射技術(shù)、受激拉曼散射技術(shù)等[1]。SERS技術(shù)的原理是一些官能團在分子共振過程中不斷發(fā)生發(fā)展，繼而進行能量轉(zhuǎn)換，繪制成光譜來識別特定的生物分子，所采用的拉曼技術(shù)芯片主要分為金屬基板、復合基板和復合結(jié)構(gòu)金屬顆粒基板。其中，金屬基板的使用最為廣泛，考慮到穩(wěn)定性，金屬基板主要采用金、銀材質(zhì)。復合結(jié)構(gòu)材料作為基板時則多應用石墨烯基板，這是因為通過石墨烯與金屬納米技術(shù)復合而成的基板能傳導更強的信號。不同的是，復合金屬顆粒基板會以二氧化硅為基板包覆金屬顆粒，以減少傳統(tǒng)金屬基板帶來的信號干擾問題。伴隨SERS技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的進一步發(fā)展，SERS在惡性腫瘤臨床診斷的應用也越來越廣泛，通過對惡性腫瘤患者和健康者的血液、尿液、唾液等的SERS光譜進行對比分析，探查出惡性腫瘤病變在人體代謝活動過程中的生物分子的變化，從而快速高效地對多系統(tǒng)的惡性腫瘤疾病如肝癌、肺癌、結(jié)腸癌、乳腺癌、前列腺癌、胃癌等做出篩查診斷，避免了一些傳統(tǒng)方式檢測不到、過程比較煩瑣等缺點。結(jié)合以上優(yōu)勢，SERS技術(shù)的檢測手段已經(jīng)成為系統(tǒng)化的分析過程，而且在醫(yī)學領(lǐng)域中不斷被借鑒、應用及更深入的探索研究[1]。SERS通過建立一種高效、高靈敏度的辨別多種惡性腫瘤的方法，實現(xiàn)不同惡性腫瘤的快速診斷，在癌癥患者和健康人群中篩查的準確性足以讓其成為一種新的、有效的惡性腫瘤篩查手段。因此SERS可以成為診斷惡性腫瘤的有效解決途徑，不僅為臨床醫(yī)生對癌癥的篩查與診療工作提供了一種經(jīng)濟、快速、準確的方法，而且也為癌癥患者的早發(fā)現(xiàn)、早診斷帶來了福音。

1 SERS在多系統(tǒng)惡性腫瘤中的診斷應用

1.1神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤 在神經(jīng)系統(tǒng)惡性腫瘤中，以頭頸部腫瘤發(fā)病率較高。LI等[2]和UCKERMANN等[3]應用SERS技術(shù)分別對腦膠質(zhì)瘤患者的腫瘤細胞與健康者腦組織細胞的差異、異檸檬酸脫氫酶-1突變誘導的化學改變進行了快速準確地識別，且診斷異檸檬酸脫氫酶-1突變的正確率高達89%。上述兩項研究不僅表明了SERS的圖譜分析及模型建立可以為腦膠質(zhì)瘤的診斷提供科學、嚴謹?shù)难芯炕A(chǔ)，還驗證了SERS在細胞、基因?qū)用娴姆治隹梢詫Π┌Y進行高度準確地鑒別，這為腦膠質(zhì)瘤的早期臨床篩查提供了臨床指導意義，同時可利用SERS準確、高效的特點為腦膠質(zhì)瘤患者做出早期癌癥診斷，從而提高患者的生存率。

1.2呼吸系統(tǒng)惡性腫瘤 在鼻咽癌患者的血液循環(huán)DNA檢測分析中，LIN等[4]應用無標記和無修飾的SERS納米技術(shù)發(fā)現(xiàn)在單堿基水平上也可實現(xiàn)DNA堿基的定量檢測，結(jié)合主成分分析和線性判別分析發(fā)現(xiàn)，診斷靈敏度為83.3%，特異度為82.5%，展示了SERS在鼻咽癌篩查方面的潛力。同時，通過喉癌癌組織細胞的處理加工，LAI等[5]在SERS圖譜信息模型中有效區(qū)分了正常喉部組織與喉癌組織，并且檢測靈敏度高達99.2%，可見將SERS應用于喉癌的檢測與區(qū)分中效果較好。此外，在肺癌方面，鄧悅等[6]對健康者、肺癌患者、乳腺癌患者的血清SERS結(jié)果進行統(tǒng)計學對比分析發(fā)現(xiàn)，其檢測成功率在健康者、肺癌患者及乳癌患者中分別為91%、100%及84%。雷佳[7]對健康人群及肺癌患者進行SERS分析，以納米銀顆粒為基板，將其主成分分析和線性判別分析巧妙結(jié)合，在健康人群與肺癌患者中的準確度、靈敏度及特異度分別為91.30%、96.08%和77.78%。在肺癌的SERS檢測中，唾液、胸腔積液及癌變組織的分析也體現(xiàn)了SERS技術(shù)的高準確度及靈敏度。QIAN等[8]對肺癌患者與健康者的唾液進行SERS技術(shù)檢測，二者的峰譜高度有明顯差異(P<0.05)；王磊[9]將SERS應用于檢測肺癌患者EGFR基因突變狀態(tài)，針對癌變組織識別突變的準確度達到87.8%，而對胸腔積液診斷準確度則達90.7%。SERS技術(shù)在癌癥的各個領(lǐng)域都有所涉及，以上研究通過對不同呼吸系統(tǒng)惡性腫瘤患者的不同標本，探討多種癌癥患者與健康人群的SERS光譜的區(qū)分程度，證明了SERS技術(shù)作為一種更精確的診斷和篩選工具，不僅在呼吸系統(tǒng)惡性腫瘤的診斷中具有充分的臨床應用價值，而且也為臨床對不同癌變診斷、判別提供創(chuàng)新思路。

1.3消化系統(tǒng)惡性腫瘤 消化系統(tǒng)腫瘤涉及多種器官，雖惡性及分化程度不一，但SERS在此領(lǐng)域的檢測應用均呈現(xiàn)出很可觀的研究成果。在口腔癌的診斷篩查中，通常采用受試者的唾液或血清作為標本進行SERS分析。FLMAS等[10]通過對比口腔癌患者與健康人群唾液的SERS，發(fā)現(xiàn)口腔癌患者存在不同的差異峰，SERS可以高特異性地區(qū)分健康人群和口腔癌患者，TAN等[11]則是以金納米粒子為基板研究口腔鱗狀細胞癌患者血清的SERS，有效并快速篩查出口腔鱗狀細胞癌在血液中的小分子變化，為口腔惡性腫瘤的診斷提供了更多科學依據(jù)。針對肝癌的SERS研究，SHAO等[12]應用SERS設(shè)計出了新型肝臟疾病篩查技術(shù)，與線性判別分析結(jié)合使SERS更加快速地檢測出病變組織，并且準確度及靈敏度也更高。此外，在胰腺癌方面應用的SERS檢測方法則較為多樣化。PHYO等[13]和CARMICHEAL等[14]應用SERS分別針對患者尿液及胰腺癌上皮細胞外泌體進行分析，均能有效準確區(qū)分腫瘤患者與健康人群，而且后者檢測準確度為90%，更加確定了SERS在診斷胰腺癌方面的效果。同時，SERS在結(jié)腸癌的檢測診斷中，更多的優(yōu)勢則是便捷、高效，不像腸鏡檢查一樣給患者帶來不適、不便及麻醉風險等。JENKINS等[15]采用結(jié)腸癌患者及健康者血清做SERS特征比對時，成功將標本進行正確分類，并且結(jié)腸癌人群中的檢測靈敏度為83%，特異度為83%，具有較高的可靠性與臨床可行性。通過SERS在消化系統(tǒng)惡性腫瘤的檢測研究數(shù)據(jù)可以看出，SERS的基本原理操作及檢測效率在惡性腫瘤診斷中已經(jīng)展現(xiàn)出優(yōu)勢，無論是口腔癌還是胃、腸、肝、胰腺等消化器官的癌癥，SERS技術(shù)均可以呈現(xiàn)較高的準確性，檢測標本高效、方便，減少了胃鏡、腸鏡、超聲活檢穿刺等臨床常規(guī)操作帶來的風險，相信隨著相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展，SERS在消化系統(tǒng)惡性腫瘤診斷中的檢測應用會更廣泛。

1.4泌尿系統(tǒng)惡性腫瘤 在泌尿系統(tǒng)腫瘤的SERS研究中，更多的突破則是應用于膀胱癌的分級方面。ZHANG等[16]將低級別膀胱癌、高級別膀胱癌患者與未患膀胱癌的健康者的血清SERS光譜同時進行比對分析，準確度分別為96.4%及95.4%；HU等[17]更換另一種研究思路，選擇對尿液上清液或沉積物通過SERS診斷膀胱癌并預測腫瘤分級，結(jié)果顯示SERS對高級別腫瘤的診斷靈敏度分別為100%和98.8%，對低級別腫癌的診斷特異度分別為97.53%和90.87%。這表明SERS技術(shù)有著較高的穩(wěn)定性，可以高效率地達到單分子檢測的靈敏度，而且對膀胱癌的臨床分級診斷具有重要的實踐意義，因此SERS技術(shù)在腫瘤領(lǐng)域的推廣應用，可以為更多惡性腫瘤患者的有效抗癌診療提供更好的平臺和方案。

1.5生殖系統(tǒng)惡性腫瘤 乳腺及卵巢腫瘤一直是女性生殖系統(tǒng)較為常見的腫瘤，VARGAS-OBIETA等[18]對早期乳腺癌患者與健康者的血清進行了SERS分析，發(fā)現(xiàn)二者血清中某些生物分子的總SERS活性成分有明顯差異，區(qū)分乳腺癌患者與健康者的靈敏度和特異度分別達到了96%和87%；PARASKEVAIDI等[19]通過對卵巢癌患者血清中的腫瘤分子標志物進行SERS檢測，發(fā)現(xiàn)與健康人群相比，卵巢癌患者在其水平及精細結(jié)構(gòu)、振動結(jié)構(gòu)上均有顯著變化，證明卵巢癌患者的SERS特征研究可以為建立一種卵巢癌臨床篩查和預后監(jiān)測的方法提供理論依據(jù)。以上研究進一步驗證了SERS通過檢測血清中生物分子微小變化診斷乳腺癌及卵巢癌時有較高的靈敏度和特異度，同時也期待更多的臨床數(shù)據(jù)證明SERS在其他女性惡性腫瘤檢測診斷中的優(yōu)勢。此外，在男性生殖系統(tǒng)中，前列腺癌患者的尿液、血液前列腺特異性抗原(PSA)水平更容易通過SERS技術(shù)診斷，但常規(guī)的實驗室檢驗方法所測得的血液PSA水平對于前列腺良惡性腫瘤鑒別容易出現(xiàn)假陽性。CHEN等[20]和DEL MISTRO等[21]將SERS技術(shù)應用于前列腺癌、良性前列腺增生患者與健康者的血清、尿液對比檢測中，其結(jié)果顯示，前列腺癌患者的代謝物更加豐富，并且尿液與血清的SERS光譜變化更加明顯，此技術(shù)可以有效地對前列腺癌做出診斷；同時，在特異性抗原分析方面，WANG等[22]將SERS技術(shù)與串聯(lián)雜交鏈反應介導信號放大技術(shù)相結(jié)合，組成抗體-抗原-適體異夾心結(jié)構(gòu)，與同類分析方法相比，檢測限低至0.94 ng/mL，應用于PSA檢測中效果顯著，可作為前列腺腫瘤患者血液PSA檢測的一種高效手段。目前國內(nèi)外的技術(shù)針對多種不同的標記分子分別標記多種不同免疫物質(zhì)從而識別多種抗原、癌組織細胞的成分比重、癌變細胞與正常細胞之間的光譜差異，以及對生殖系統(tǒng)惡性腫瘤的術(shù)前診斷仍然受到很大的限制，但以上研究表明SERS技術(shù)可以為此提供客觀、及時、有效的信息，可用于惡性腫瘤的預測、診斷和有效的治療。因此，在現(xiàn)代醫(yī)學實驗室檢測及腫瘤篩查診斷中，期待SERS技術(shù)可以不斷地被擴展研究，增加技術(shù)自身的循環(huán)利用價值，實現(xiàn)SERS在更多生殖系統(tǒng)腫瘤的診斷與治療中實現(xiàn)更大的價值[23]。

1.6皮膚系統(tǒng)惡性腫瘤 皮膚癌分化程度多樣化，且部分腫瘤較為罕見，LIMA 等[24]提取了非黑色素瘤皮膚癌、光化性角化病患者及健康者的皮膚組織標本，進行SERS特征分析判斷組織是否病變。結(jié)果表明，通過SERS技術(shù)可有效診斷非黑色素瘤皮膚癌，診斷靈敏度為94.1%，特異度為93.6%，綜合準確度為93.8%，表現(xiàn)出SERS技術(shù)對微小的結(jié)構(gòu)變化高度敏感，從而可以針對多種生物分子建立具有明顯差異的SERS峰，應用于皮膚癌診斷時具有較高的準確度與優(yōu)秀的檢測速度，相信隨著SERS技術(shù)的發(fā)展，它在不同類型皮膚癌及不同分化程度皮膚細胞的檢測中會有更多進步，提高診斷速度、準確度及疾病可治愈率，進而為皮膚系統(tǒng)腫瘤疾病做貢獻。

2 SERS對腫瘤分子標志物、腫瘤細胞等多種相關(guān)物質(zhì)的檢測應用

腫瘤標志物檢驗一直以來作為鑒別腫瘤類型十分有效的方式，在GUERRINI等[25]的研究中SERS被應用于傳感器和納米制造中，成功地對不同類別腫瘤分子標志物進行了分類。同時KAMISKA等[26]和HASSOUN等[27]的研究表明SERS已能高準確度地鑒別不同腫瘤細胞及其裂解產(chǎn)物，并證明SERS可廣泛用于早期癌癥地研究和治療中。對于細胞內(nèi)致癌代謝途徑及細胞因子的研究，ABRAMCZYK等[28]和LI等[29]均展現(xiàn)了可觀的研究成果。前者對人乳腺、小腸和腦腫瘤細胞進行了SERS和圖像分析，證實了SERS可以有效地識別腫瘤的變化過程和細胞中致癌代謝途徑。后者采用酶聯(lián)免疫吸附試驗、理論模擬和微流控SERS免疫試驗成功檢測多種細胞因子，比傳統(tǒng)方法更靈敏、方便。因此，SERS技術(shù)無論是在惡性腫瘤患者體液、細胞、組織還是腫瘤相關(guān)分子標志物、細胞產(chǎn)物的檢測中，均展現(xiàn)了功能多樣、樣本需求量少、檢測局限性少、分析高效、便利及數(shù)據(jù)靈敏、準確的優(yōu)勢，滿足了更多的臨床檢驗與腫瘤診斷篩查的需求。

3 小 結(jié)

對于惡性腫瘤的診斷，醫(yī)學界一直在不斷研究新的方法與技術(shù)，但至今癌癥的發(fā)病機制依舊難以得到進一步明確的解答，仍是人類生命安全的嚴重威脅因素之一。傳統(tǒng)的惡性腫瘤診斷檢測與識別方法，如超聲檢測、X線、CT、MRI、病理檢查等，往往存在識別時間長、檢測準確度低、成本高、需要醫(yī)生具有較高水平的臨床經(jīng)驗等一系列問題，甚至會給患者帶來不必要的創(chuàng)傷。近年來，隨著物理、光學及醫(yī)學科技的不斷發(fā)展，SERS技術(shù)以其獨特、無創(chuàng)、高分辨率、無試劑、高智能的特點，在腫瘤診斷中取得了迅速的進步。本文總結(jié)了SERS技術(shù)應用于多種惡性腫瘤及其相關(guān)生物大分子(腫瘤分子標志物、基因等)、腫瘤細胞產(chǎn)物等的診斷研究，分析了惡性腫瘤患者與健康人群或良性腫瘤患者在多種類的體液(唾液、尿液、血清、胸腔積液等)、不同腫瘤組織及細胞等方面的SERS峰值差異，并進行統(tǒng)計分析，展示了SERS在惡性腫瘤疾病的診斷中較高的準確度、靈敏度及特異度，進一步證明了SERS在醫(yī)學領(lǐng)域特別是腫瘤方面的實踐價值。相比其他系統(tǒng)疾病的診斷及臨床研究手段,人們對癌癥快速、早期、高效管理診斷的需要，促成了SERS技術(shù)的廣泛應用和發(fā)展。SERS技術(shù)的合理檢測、應用提供了豐富的生物化學結(jié)構(gòu)信息，并且可以在短時間內(nèi)靈敏、特異地為多種惡性腫瘤的早期診斷與快速篩查、良惡性的準確鑒別、腫瘤類別的具體分型等提供新方法，這不僅擴充了抗癌研究的診療手段，也可通過癌癥患者早期診斷提高抗癌救治的成功率。此外，SERS技術(shù)符合當前科學診斷的發(fā)展趨勢，已廣泛與計算機科學技術(shù)相結(jié)合。在臨床實踐中，它可以聯(lián)合計算機快速、高效、準確地診斷和識別惡性腫瘤，不僅提高了診治的效率和準確性，而且為患者和臨床醫(yī)生節(jié)省了時間和成本。因此，SERS在癌癥領(lǐng)域具有很高的臨床應用價值和發(fā)展?jié)摿?，相信在未來會有更廣闊的應用前景。