随着医学检测和诊断技术的不断提高, 癌症的早期临床诊断也取得了迅速发展。但多数情况下仍需采用活组织切片进行诊断, 这些方法侵入性强、对患者损伤较大, 检测速度慢、并可能引起癌细胞扩散, 而且需要检测人员具备一定的病理学知识。为解决上述问题, 研究人员一直在不断进行新的检测分析技术的研究和尝试, 以实现对癌症进行快速的非侵入性的早期临床诊断。激光拉曼光谱技术作为一种非侵入性的检测技术, 可以提供丰富的分子结构特征和物质成分信息, 通常被称为物质的分子指纹(molecularfingerprints), 可望在分子水平上实现无损检测。与传统的医学诊断方法相比, 拉曼光谱检测技术具有非破坏性、非侵入性noninvasivedetection、分辨率高、不用试剂和高度自动化等优点。因此, 拉曼光谱技术在医学检测和诊断领域的应用倍受人们的重视。在肿瘤生长和发展过程中, 组织细胞内的物质、结构、构象和数量会发生明显变化, 拉曼光谱可以对这些信息变化实现高灵敏度、高分辨率的检测, 进而在分子水平上揭示癌变组织与正常细胞组织结构之间的差异, 通过对比研究癌变组织和正常组织的拉曼光谱, 从二者的差异可发现能反映组织病变信息的特征光谱, 因此, 拉曼光谱检测技术对实现癌症的早期诊断和及时治疗, 从而提高癌症患者的生存几率, 具有重要意义。本文综述了拉曼光谱技术在多种癌症检测和诊断中的应用及研究进展, 并对拉曼光谱技术在此领域的应用前景作了进一步的展望,期望为癌症的早期检测和诊断技术的应用研究工作提供参考信息和指导。
1 拉曼光谱技术在癌症检测和诊断中的应用研究
1.1皮肤癌的拉曼光谱检测
皮肤癌主要有三种类型:基底细胞癌(basalcellcarcinoma, BCC)、鳞状细胞癌(squamouscellcarcinoma,SCC)和恶性黑素瘤(melanoma, MM), 其中基底细胞癌最为常见。基底细胞癌和鳞状细胞癌若得到及时治疗, 几乎所有病例均可治愈, 而恶性黑素瘤是最少见但最严重的皮肤癌, 若不能及时治疗, 则会导致死亡。但是由于这几种癌的症状很相似, 所以在诊断过程中存在一定困难, 而将病人组织的每一块色素都切除进行活检是不可行的, 因此需要寻求一种非侵入性的、无创伤的检测诊断方法。Nijssen等采用近红外激发光源, 获得了基底细胞癌组织、真皮组织、上皮组织的拉曼光谱, 利用多元统计分析和聚类分析对光谱进行分析, 建立了组织分类模型, 该模型可以鉴别癌变组织及其周围的非癌变组织, 灵敏度达100 %, 特异性可达93 %。他们的研究证实拉曼光谱能够准确地确定肿瘤的切除范围, 为基底细胞癌的诊断与治疗提供了有力的理论和实验依据。Choi等利用共聚焦拉曼光谱技术对正常组织和基底细胞癌组织进行光谱检测研究, 发现二者的光谱存在明显差异, 因此, 无需对光谱数据进行统计分析, 便可以将BCC组织与周围正常组织区分开。Short等研究了节状基底细胞癌肿瘤周边胶原质的变化, 发现癌细胞的细胞核中核酸、组蛋白及带有机动蛋白的蛋白质的作用与其在正常表皮细胞中的作用不同。并且获得了真皮组织的拉曼光谱, 发现癌细胞周围的真皮组织中, 940 cm-1处拉曼谱线强度增大, 1 210 cm-1和1 270 cm-1处谱线强度明显减小, 说明肿瘤周边组织中胶原质不仅含量低, 而且结构上也发生了一定的变化。为了利用傅里叶变换拉曼光谱(FT-RS)来区分鳞状细胞癌与正常皮肤, Pereira等采用1 064 nm作为激发光, 研究了人体皮肤活检组织的拉曼光谱,发现正常组织中位于860 cm-1和939 cm-1处的拉曼谱线强度明显比癌变组织中的相应光谱强度高, 并且在1 555 cm-1 ～1 560 cm-1波数范围内, 归属于核酸的谱线强度也有所不同。Gniadecka等利用近红外傅里叶变换(NIRFT)拉曼光谱研究了黑素瘤与其他皮肤病变的拉曼光谱特征, 发现恶性黑素瘤的蛋白质酰胺Ⅰ带强度减小, 而脂质特征峰强度增大。并利用神经网络方法进行光谱分析, 使得拉曼光谱对恶性黑素瘤诊断的灵敏度和特异性分别达到了85 %和99 %。Huang等利用近红外拉曼光谱(NIR-RS)成功地获得了皮肤黑色素的在体拉曼光谱图, 分析光谱发现黑色素的拉曼光谱分别在1 580 cm-1和1 380 cm-1处存在强度较高、频带较宽的拉曼谱带, 分别属于芳香环的平面振动和C-C的伸缩振动模式。利用拉曼光谱技术在活体条件下获得了黑色素的光谱信号, 表明拉曼光谱可能成为对皮肤进行原位分析与诊断的一种十分有效的临床检测方法。拉曼光谱技术还可用于其他皮肤病的检测中。Cheng等采用显微拉曼光谱技术分析了人类皮肤毛基质(humanskinpilomatrixoma, PMX)中构象与化学成分的变化, 发现正常皮肤与软PMX组织和硬PMX组织的拉曼光谱存在明显区别, 尤其是1 665cm-1归属于酰胺Ⅰ的特征峰移到1 655 cm-1处, 硬PMX组织的拉曼光谱中归属于酰胺Ⅲ的特征峰强度明显减小。这些结果均表明显微拉曼光谱能够有效区分正常皮肤组织、软PMX组织及硬PMX组织。而且拉曼光谱分析技术在识别不同的皮肤病变方面具有很高的精确度, 特别是对癌变组织具有很好的识别能力, 在恶变肿瘤的原位分析与诊断中具有巨大的潜在应用价值。
1.2鼻咽癌和肺癌拉曼光谱检测
Lau等用拉曼光谱仪检测了鼻咽部的活检标本, 每个光谱的采集时间仅为5 s。分析发现在1 290cm-1 ～1 320 cm-1及1 420 cm-1 ～1 470 cm-1波数范围内癌变组织的拉曼谱线强度比正常组织中相应谱线强度大, 而1 530 cm-1 ～1 580 cm-1波数范围内, 则是正常组织的拉曼谱线强度比癌变组织中相应谱线强度大。他们还利用拉曼光谱分别对喉部的正常组织、癌变组织、鳞状细胞乳头状瘤进行了研究。通过对拉曼光谱的峰值分析表明利用拉曼光谱对正常组织、癌变组织以及鳞状细胞乳头状瘤进行分析检测的灵敏度分别为89 %, 69 %, 88 %；特异性分别为86 %, 94 %, 94 % 。Stone等收集了正常组织、不典型增生和癌变组织的拉曼光谱, 用多元统计方法分析了光谱差异。可见的光谱区别在850 cm-1 ～950 cm-1和1 200 cm-1 ～1 350 cm-1谱段, 核酸峰的相对强度随病变发展为恶性而增加。为了探究拉曼光谱对肺癌进行早期光学检测和诊断的可行性, Huang等利用快速弥散型近红外拉曼光谱(NIR-RS)研究了肺癌与正常支气管组织的光谱信息。研究表明, 肺癌和正常支气管组织的拉曼光谱有明显区别, 发现将拉曼谱线的强度比值酰胺I1 445/酰胺I1 655作为判断标准, 能够有效区分肺部正常组织与癌变组织, 当酰胺I1 445 /酰胺I1 655 1 时, 所检测的组织为正常组织；酰胺I1445/酰胺I1 655 1时, 则为癌变组织。利用此标准区分正常组织与癌变组织的灵敏度和特异性分别可达到94 %和92 %。Yamazaki等构建了一种新型近红外多通道拉曼系统(near-infraredmultichannelRamansystem), 该系统用于采集肺部组织拉曼光谱,具有信噪比高、可避免荧光干扰、测量时间短(1 s)等优点。利用该系统收集了210个肺癌组织和正常组织的拉曼光谱, 灵敏度达与特异性分别达到91 %和97 %。Min等利用近红外多通道拉曼光谱仪对未经任何处理的肺部组织进行研究, 分别采用785nm和1 064 nm作为激发光, 结果表明采用785 nm作为激发光时, 背景荧光很强检测不到拉曼谱线, 而用1 064 nm光源激发时, 得到了信噪比很高的拉曼光谱。因此对未经处理的肺部组织进行拉曼光谱分析研究时, 通常应采用1 064 nm作为激发光源。Li等研究了在肺癌发展过程中血清的荧光光谱及拉曼光谱的变化, 采用488 nm和514.5 nm作为激发光对一组癌症患者的血清每周进行一次检测, 研究发现, 癌症发展的不同时期荧光光谱没有明显变化, 而属于β胡萝卜素的三个拉曼峰(分别位于539 nm、544 nm及556 nm处)强度减小, 最后消失。该实验结果表明, 在肺癌恶化的过程中, β胡萝卜素的含量逐渐减少, 可将此作为诊断肺部是否癌变的依据。
