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早期胃癌粘膜下内镜标本中受损组织和非受损组织的纤维拉曼识别
抽象
目的。从早期胃癌病灶识别和未损伤的组织(EGC)患者通过拉曼光谱建立一个诊断模型,有效地诊断EGC。方法。标本进行内窥镜黏膜下层剥离术从13例EGC和55套标准拉曼光谱数据使用光纤拉曼系统获得(每个集成10次)收集;有33套损伤组织的数据,包括18套高档上皮内瘤变(HGIN)数据和15套腺癌的数据,以及22台未损伤的组织的数据。预处理步骤后,获得平均拉曼光谱。结果。该nonlesional tissues showed peaks at 891 cm1,1103厘米1,1417厘米1,1206 cm1,1234 cm1,1479 cm1,1五60 cm1和1678厘米1。Compared with the peaks corresponding to nonlesional tissues, the peaks of the lesional tissues shifted by different magnitudes, and a new characteristic peak at 1324 cm1被观测到。比较的峰强度比,并与所述未损伤组织的病变组织的积分能量比揭示了两组(独立样本之间的差异显著 -测试, )。Considering the peak intensity ratio of I1560 cm1/ I1103厘米1作为诊断指标,精度,灵敏度和诊断EGC的特异性分别为98.8%,93.9%,和91.9%。考虑到积分能量比(非连续频带和连续频带)作为诊断指标,精度,灵敏度和诊断EGC的特异性分别为99.2-99.6%,93.9-97.0%,和95.5%。结论。拉曼光谱的整体能量比可以被认为是诊断EGC的有效指标。
1.简介
胃癌是世界上最常见的恶性肿瘤之一,其发病率和死亡率仍然很高,使之对人体健康造成严重威胁。据最新统计,大约有1,033,000新的胃癌病例,在世界783,000有关的死亡人数在2018年,排名胃癌第六发病率和第三死亡率的恶性肿瘤中[1]。中国是胃癌高发国家,约占全球胃癌发病率和死亡率的50%。胃癌的5年生存率较低,约为25%-30%,但早期胃癌(EGC)的5年生存率为90%,远高于进展期胃癌15%的生存率[2-4]。因此,早期发现,早期诊断和早期治疗胃癌的是必不可少的。
目前,用于诊断胃癌的方法主要包括血清学,影像学和内镜活检。在这些方法中,血清学试验的特异性和敏感性均较差,并且在索引增加大多出现在晚期胃癌,导致这种方法将被更频繁地用作辅助指示器用于诊断晚期胃癌和后胃监测复发和进展癌症手术在临床工作中[五]。影像学检查价格昂贵,这使得影像学检查在确定肿瘤大小、消除邻近结构的侵犯、评估转移性肿瘤、评估肿瘤生物学和肿瘤反应方面比诊断EGC更有价值[五]中,其中成像不太适合。相比于其它方法中,内窥镜检查,目前用于诊断EGC,包括普通内窥镜检查加活检,放大内镜(ME),窄带成像内镜(NBI),以及放大用窄带成像内窥镜的主要方法(ME-NBI),is more dependent on the doctor’s experience and subjective judgment. Endoscopic biopsy is the gold standard for clinical diagnosis, but the invasiveness of the operation, the long waiting time, the difficulty in collecting lesional tissue, and some other shortcomings still exist. Additionally, the lack of obvious characteristics of lesions under endoscopy in EGC increases the risk of missed diagnosis.
拉曼光谱是由与入射光移材料的分子振动的频率进行的非弹性散射技术。将得到的拉曼光谱呈现出不同的特性作为材料变化的分子含量和组成。的结构,内容和在细胞将变成致癌的过程中不同程度的各种组件的构造;因此,拉曼光谱可用于鉴别从早期癌组织获得的光谱之间的差异和那些从健康组织获得的[6,7]。因此,实时拉曼检测可以成为一种快速、无创、客观、简单、准确、特异的检测方法。
拉曼光谱被广泛应用于各种肿瘤的诊断,如皮肤肿瘤、口腔肿瘤、胃癌、食管癌、卵巢癌、前列腺癌等[8-13]。大多数文章报道活检标本用于检测,而大的组织很少被测量。在此,我们对EGC患者进行了内镜下粘膜下剥离(ESD),并从术后标本中获取了拉曼光谱,以探讨在ESD标本中使用光纤拉曼光谱来区分EGC组织和非受损组织的可行性。
2.材料和方法
2.1。光纤拉曼光谱系统
(1)A near-infrared semiconductor laser with an excitation wavelength of 785 nm (Changchun New Industries Optoelectronics Tech, China). (2) A fiber optic Raman probe (Em Vision, America): the Raman fiber optic bundle was 3 m in length and had an outer nylon protective sleeve composed of 7 collection fibers (300 μ米直径, )环绕中心激发纤维(272μ米直径, ),与在近端和所述探针的远端引入到最大化组织的拉曼信号的采集,同时从光其他还原比的拉曼散射光的干扰的两个滤波器。(3)拉曼成像光谱仪(安道尔,英国)。(4)的电荷耦合器件(CCD)照相机(安道尔,英国)。(5)显示器(联想,中国)。(6)安道尔SOLIS软件。光纤的拉曼光谱系统在图中所示1。
2.2。该系统的功能
通常,一束785 nm的近红外激光束通过激发光纤,垂直照射试样表面。散射光被周围的采集纤维收集,然后通过拉曼成像光谱仪传回来生成光学图像。光学信号在CCD相机中转换为可识别的电信号后,显示器屏幕上就显示出可视的拉曼图像。每个拉曼光谱可以在1秒内得到。每个位点探测10次,得到平均积分拉曼光谱。
根据需要,光纤拉曼光谱系统可以在体外和体内应用两者。当在体外应用,光纤拉曼探头被竖直压抵在黑暗环境中的组织样品的表面在常温下,以获得拉曼光谱数据。当在体内施用时,光纤的拉曼探头布置成抵靠组织表面体内待测量通过内窥镜的活检孔,和拉曼光谱数据保持内窥镜透镜的稳定性和光纤探针后获得10秒。体外使用的光纤的拉曼系统的代表性图像和体内在图中示出2。
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2.3。采样
ESD标本采自13例患者在第三军医大学西南医院内镜中心EGC手术后收集。组织病理学结果表明6案件高档上皮内瘤变(HGIN)和7例腺癌。所有参与研究的患者自愿并签署了知情同意书,允许ESD标本和拉曼光谱数据的调查采集。按照人体试验伦理标准进行了研究,并批准了医院伦理委员会。
ESD标本在使用ME确定受损组织受影响最严重的区域后,无需任何处理,立即送往拉曼光谱采集室。然后设定拉曼光谱范围为0-2000 cm1,曝光时间1秒,积分次数10次,CCD温度-80℃,电流66 mA。将标本放置在镀铝镜面上,我观察后选择受损组织中受影响最严重的区域。然后根据最严重区域的大小选取2-5个点。测量完成后,准确标注测点位置。然后,在损伤组织周围选取几个非损伤组织的位置,用同样的方法测量。每次测量完成后,准确标注测点位置。标本固定,用10%福尔马林溶液浸泡,送组织病理学家进行双盲组织病理学检查。根据组织病理学结果,我们恢复了ESD试样的形状,确定区域EGC和排除数据确认不符合标准(标准:测量我们的网站标志位于lesional区域确认histopathologist EGC的;我们标记的测量点位于非损伤区,经组织病理学家确认为正常组织)。共收集了55组拉曼光谱数据,其中HGIN拉曼光谱数据15组,腺癌拉曼光谱数据18组,非损伤拉曼光谱数据22例。 Figure3示出了EGC ESD标本的一个例子。数字4示出了用于不同的测量部位病理组织学的结果。
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2.4。光谱数据处理
由于组织和外部扰动的背景自发荧光,原始测量的拉曼光谱数据以高的基线水平,和拉曼光谱信号较弱。数据格式由安道尔SOLIS转换,基线降低,并通过原点临8.0软件除去强背景荧光。接着,将拉曼信号被突出显示时,该曲线是由平滑的快速傅立叶变换(FFT),并与基线水平进行调整。然后,我们得到平滑具有高信噪比的拉曼光谱数据(图五和6)。
2.5。统计分析
Independent-samples -检验用于利用SPSS软件19来比较EGC和未损伤的组织样品之间的集成能量比和峰强度比。然后,接收器操作特性(ROC)曲线绘制,并计算曲线(AUC)下的面积。
3.结果
EGC ESD标本受损组织和周围非受损组织的平均拉曼光谱如图所示五。在826 cm处可见明显的非损伤组织对应的拉曼峰1(酪氨酸),852厘米1(proline, tyrosine), 891 cm1(saccharide), 992 cm1(未知),1103厘米1(苯丙氨酸),1171厘米1(phenylalanine, tyrosine), 1206 cm1(tyrosine), 1234 cm1(amide III), 1292 cm1(胞嘧啶),1417厘米1(C = C伸缩在醌环),1479 cm1(amide II), 1517 cm1(β-胡萝卜素积累),1560厘米1(tryptophan), 1634 cm1(amide I), 1678 cm1(NADH),和1729厘米1(酯基)。In contrast, significant Raman peaks corresponding to the lesional tissues, including HGIN and adenocarcinoma, were observed in the Raman spectra at 826 cm1,888厘米1,977厘米1,987厘米1,1101厘米1,1171厘米1,1209 cm1,1236 cm1,1294 cm1,1324厘米1(DNA的胶原和嘌呤碱基),1413厘米1,1517厘米1,1五62 cm1和1682厘米1。数字6显示HGIN和腺癌组织的平均拉曼光谱。如图所示6, HGIN组织的拉曼光谱在826 cm处呈现显著峰值1,838 cm1(amine deformation vibrations), 849 cm1,861 cm1,875厘米1(色氨酸),889厘米1,987厘米1,1101厘米1,1171厘米1,1209 cm- 1,123五 cm1,1253厘米1(C-O4芳香拉伸),1324厘米1,1413 cm1和1562厘米1,而腺癌组织的拉曼光谱在820 cm处显示显著峰值1(structural protein modes of tumors), 849 cm1,861 cm1,875厘米1,887 cm1,948厘米1(single-bond stretching vibrations of the amino acids proline and valine and polysaccharides), 977 cm1,1102 cm1,1171厘米1,1209 cm1,1236 cm1,1293 cm1,1323厘米1,1413 cm1,1517厘米1,1五31 cm1(carotenoid, absent from the normal tissue spectrum), and 1562 cm1。对于峰的任务列在表1[14-20]。
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(1)有在EGC ESD标本皮损和未损伤组织的平均拉曼光谱之间明显的差异,如图五。损伤组织的平均拉曼光谱波动小于非损伤组织。在800-1350厘米范围内1,非损伤组织的峰值强度明显高于损伤组织,峰值强度在1350-1800 cm之间1显示了相反的趋势。与非损伤组织相比,损伤组织的拉曼峰为826厘米1,1171厘米1和1517厘米1保持固定。In contrast, the Raman shifts of the spectral peaks of the lesional tissues at 888 cm1,1101厘米1和1413厘米1moved toward lower wavenumbers than those of the nonlesional tissues at 891 cm1(saccharide), 1103 cm1(phenylalanine), and 1417 cm1(C = C伸缩在醌环),while the Raman shifts of the spectral peaks of the lesional tissues at 1209 cm1,1236 cm1,1294 cm1,1480 cm1,1五62 cm1和1682厘米1向比非损伤组织高的波数移动,在1206厘米1(tyrosine), 1234 cm1(amide III), 1292 cm1(cytosine), 1479 cm1(酰胺II) 1560厘米1(色氨酸)和1678厘米1(NADH)。在1324 cm处观察到一个特征峰1在损伤组织的平均拉曼光谱中,可分配到DNA中的嘌呤碱基。
EGC ESD标本损伤区HGIN组织的平均拉曼光谱与腺癌组织非常接近,如图所示6。整体形状和峰值波动非常相似。Among the peaks observed in the spectra, the Raman shifts of the spectral peaks of the HGIN and adenocarcinoma tissues at 849 cm1,861 cm1(酪氨酸),875厘米1(tryptophan), 1171 cm1,1209 cm1,1413 cm1和1562厘米1是相同的。此外,与腺癌组织相比,其直径为887厘米1,1102 cm1,1236 cm1,和1323厘米1, HGIN组织光谱峰值的拉曼位移为889厘米1,1101厘米1,123五 cm1和1324厘米1只是略有不同。In the average Raman spectrum of the HGIN tissues, peaks were clearly observed at 826 cm1,838 cm1(amine deformation vibrations), and 1253 cm1(C-O4芳香拉伸),而在腺癌组织光谱中没有观察到相关峰。Additionally, peaks were observed at 820 cm1(肿瘤结构蛋白模式),948 cm1(氨基酸脯氨酸、缬氨酸和多糖的单键拉伸振动),1293厘米1,1517厘米1,和1531厘米1(carotenoid, absent from the normal tissue spectrum) in the adenocarcinoma tissues, while no corresponding peaks were observed at 820 cm1,948厘米1和1293厘米1在HGIN组织中,相关峰值为1517 cm1和1531厘米1是不明显的。
(2)利用积分能量比分析损伤组织和非损伤组织的拉曼光谱。非连续频带(E1500-1600 cm)1/E1050-1150 cm1)和the continuous frequency band (E1350-1500 cm1/ e1200 - 1350厘米1)被选中。用独立样本对损伤组织和非损伤组织的两组整体能量比数据进行分析 -测试,揭示了两组数据之间的差异显著( )。ROC曲线用SPSS 19软件绘制。非连续频带(E1500-1600 cm)积分能量比的曲线下面积(AUC)1/E1050-1150 cm1)为0.992,也就是说,与该非连续频带,确定EGC的准确度为99.2%,相应的灵敏度和特异性分别为93.9%和95.5%。该AUC of the integral energy ratio in the continuous frequency band (E1350-1500 cm1/ e1200 - 1350厘米1)为0.996,也就是说,与此连续的频带,确定EGC的准确度为99.6%,相应的灵敏度和特异性分别为97.0%和95.5%。
然后,HGIN和腺癌组织的拉曼光谱进行了分析基于积分能量比。非连续频带(E1500-1600 cm)1/E1050-1150 cm1)和the continuous frequency band (E1350-1500 cm1/ e1200 - 1350厘米1)被选中。从HGIN和腺癌组织中获得的两组整体能量比数据也通过独立样本进行分析 -试验中,两个数据集之间没有揭示差异显著( )。
(3)该Raman spectra of the lesional and nonlesional tissues were analyzed by the traditional peak intensity ratio, and the peak intensity ratio of I1560 cm1/ I1103厘米1被选中。从损伤组织和非损伤组织中获得的两组峰强度比数据用独立样本进行分析 -测试,揭示了两组数据之间的差异显著( )。ROC曲线用SPSS 19软件绘制。峰值强度比为i1560cm的曲线下面积(AUC)1/ I1103厘米1是0.988,也就是说,与该峰强度比,确定EGC的准确度为98.8%,相应的灵敏度和特异性分别为93.9%和91.9%。
然后,HGIN和腺癌组织的拉曼光谱也采用传统峰强度比分析,峰强度比为i1560cm1/ I1103厘米1被选中。还通过独立样本分析了来自HGIN和腺癌组织获取的峰值强度比数据的两组 -试验中,两个数据集之间没有揭示差异显著( )。
积分能量比和峰强度比数据列于表2。ROC曲线如图所示7。积分能量比和峰强度比数据的散点图显示在图8。
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E1: e1500 - 1600厘米1;E2: E1050-1150 cm1;E3: E1350-1500 cm1;E4: e1200 - 1350厘米1;CAN1:腺癌组织;CAN2:高级别上皮内瘤组织。 |
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4。讨论
拉曼效应最早由印度科学家CV拉曼发现,并在Nature上发表于1928年3月31日,[21]。不同分子的拉曼光谱是不同的,这意味着每个分子都有自己的指纹[22,23]。因此,拉曼光谱被认为是用于从正常组织区分癌性组织的新兴的医学方法。
对胃癌和食管癌患者的研究表明,肿瘤患者的血清、尿液和胃内容物中苯丙氨酸的含量高于健康人群[24-28]。其原因可能与在苯丙氨酸的代谢途径显著的变化,这导致增加在苯乙酰(苯丙氨酸代谢物)[29]。一个相关的研究发现,在胃癌组织中的苯丙氨酸水平呈逐年上升的趋势,但对统计分析没有差异[三十],另有研究证实,在食管癌患者的组织中苯丙氨酸的水平并不比显著高于健康人的组织[31]。其他的研究发现,在胃癌患者组织中的色氨酸水平显着高于正常组织[显著较高32],而在血清中的水平的色氨酸在胃癌组织中降低与正常组织相比[25,33-35,这可能与肿瘤组织对氨基酸的需求增加和过度利用有关[28]。在本实验中,峰值强度比为i1560cm1/ I1103厘米1是在EGC组织比在未损伤组织显著更高,通过独立样本所证明 -测试。的未损伤组织组中的平均值为0.30,这比EGC组织组(0.68)更低。该值 ,ROC曲线的准确性为98.8%,敏感性为93.9%,特异性为91.9%,差异有统计学意义。
该peak at 1560 cm1was assigned to tryptophan, and the peak at 1103 cm1被分配到苯丙氨酸,这表明在EGC组织中的色氨酸水平比在未损伤的组织更大。因此,色氨酸可以用作潜在的肿瘤标记物,提供用于EGC的诊断依据,但进一步的研究仍然是必要的。
该Raman peaks of the lesional tissues at 891 cm1(saccharide), 1103 cm1(phenylalanine), and 1417 cm1(C = C伸缩在醌环)moved to lower wavenumbers than those of nonlesional tissues, while the other peaks at 1206 cm1(tyrosine), 1234 cm1(amide III), 1294 cm1(cytosine), 1479 cm1(酰胺II) 1560厘米1(色氨酸)和1678厘米1(NADH)移动到更高的波数。这种向上的移动表明振动能量的增加。人们认为肿瘤组织的结构可能会发生变化,蛋白质、核酸和其他化合物可能会因为引入新的配体或激活周围的配体而变得更加稳定。这一结果证实了与非肿瘤组织相比,肿瘤组织在蛋白质、糖类和核酸的结构上有明显的变化。在1324厘米处观察到一个特征峰1在病变组织中,其被分配到的胶原蛋白和在DNA嘌呤碱基,但它未在未损伤组织中观察到,表明它可能与在肿瘤组织中和活性核分裂在DNA结构的变化。
A significant peak was observed at 992 cm1在未损伤组织。A peak could also be observed at 987 cm1in the HGIN tissues and at 977 cm1在腺癌组织,表现出向低波数的趋势。已有文献关于到的特征峰可分配的实质未见相关报道。其他特征峰清楚地表征,并且有皮损和未损伤组织的峰之间有良好的对应关系。该refore, it was assumed that there was one kind of molecule with a peak located near 992 cm1和that the peak shifted from 992 cm1因为HGIN和腺癌的作用而在损伤组织中起作用。然而,这一假设尚未得到证实。另一个假设与本实验使用ESD活检标本有关,而目前报道的大多数研究都是使用内镜下获得的活检标本。组织病理学结果清楚显示外周边缘阴性,即周围组织为非损伤性组织;然而,周围的组织可能受到病变组织的中心,导致萎缩或intestinalization在分子水平上,导致某些变化由于离病变组织,这可能引起的外观特征峰在992厘米1。以上两个假设还需要进一步的实验来证实,下一步的研究可能是探索正常组织和非受损组织之间拉曼光谱的差异。
本实验以整体能量比和峰值强度比作为诊断EGC的指标。结果表明,对I1560 cm-1/I1103 cm的峰值强度比的精度较高1但敏感性和特异性均低于整体容量比。积分能量比在非连续频段和连续频段的准确率、灵敏度和特异性均优于传统的模态峰值强度比(非连续频段:准确率99.2%;敏感性,93.9%;和特异性,95.5%;连续频带:准确度99.6%;敏感性,97.0%;和特异性,95.5%)。利用单峰的峰强度比增加了误差的发生,而计算一定区域内的整体能量比则减少了误差的发生。因此,拉曼光谱的整体能量比可以被认为是诊断EGC的有效指标。
目前,ME-NBI和传统的白光内窥镜的组合通常用于诊断EGC在诊所。当可疑病变下白光内窥镜发现,下ME-NBI观察常被推荐除了活检。的荟萃分析在2015年[36研究表明,ME-NBI诊断EGC的综合敏感性和特异性分别为86%和96%,曲线下面积(AUC)为0.9623。本研究报道的传统白光内窥镜的敏感度和特异性分别为57%和79%。2018年的另一项元分析[37],包括从9个研究5398周的患者,也显示,ME-NBI的在癌性和非癌性胃损伤之间进行区分的灵敏度和特异性分别为88%和96%,与0.97的AUC,指示的精度ME-NBI在癌组织和非癌病变胃区分。与传统的白光内窥镜中,灵敏度和特异性的光纤的拉曼系统和ME-NBI相比是显著更高。虽然后两种方法具有相似的特异性,准确性和光纤的拉曼系统的灵敏度比的ME-NBI,这证明所述光纤的拉曼系统代表一个高精度的诊断方法明显更高。
HGIN和腺癌组织拉曼光谱的整体形状和峰分布非常相似,大约50%的峰完全一致。在其他峰中,有一些只出现了1-2厘米的轻微变化1)在他们的拉曼位移,以及某些峰从它们的分布,这证明有上拉曼光谱HGIN和腺癌组织之间一定的差异不同。在两组数据的峰值强度也相似。然而,积分能量比和传统的峰值强度比也被用于分析HGIN和腺癌组织中,并且两个组之间没有显著差之间的差别被发现,这意味着有的拉曼光谱之间没有显著差异两种病理类型。考虑到一个小样本大小可能不能完全反映在两组之间的拉曼光谱的差异,扩大需要进一步探索两组之间的差异的样本大小。
本研究探讨仅HGIN和腺癌组织之间的差异。回答的不同病理类型的EGC组织的拉曼光谱是否不同,是否EGC和晚期胃癌组织的拉曼光谱是不同的问题,需要进一步研究。本研究初步证明是可行的识别HGIN和腺癌之间的差异组织和外周组织非皮损在ESD标本通过拉曼光谱,其提供了通过拉曼光谱确定病变边界的研究的基础。然而,大量的样本数据仍然需要被收集用于分析。在接下来的步骤研究中,我们将收集更多的样本数据,减小误差,在体内检测结合在体外检测,建立拉曼光谱的初始诊断数据库,并建立一个标准EGC的通过拉曼光谱诊断。
数据可用性
用来支持这项研究的结果的数据是可用的,请相应的作者。
利益冲突
作者声明他们没有什么可透露的。
致谢
首先,我想感谢所有在我的实验和撰写这篇文章的过程中帮助过我的人。非常感谢我的导师彭教授的帮助,在整个工作过程中,他给予了我宝贵的建议和细致的指导。在撰写这篇稿件的过程中,他花了很多时间通读每一篇稿件,并给了我很多鼓舞人心的建议。没有他耐心的指导、深刻的批评和专家的指导,就不可能完成这项工作。其次,特别感谢重庆市科技计划项目对我们研究的赞助,使我们的研究得以顺利进行。我还要感谢美国期刊的各位专家,他们的辛勤工作使我受益匪浅,帮助我在学术上做好了撰写此稿的准备。最后,我要感谢我亲爱的家人这些年对我的关心和信任。我还要感谢我的朋友和同学们,在我工作的艰难过程中,他们花时间倾听我,帮助我解决问题。这项工作得到重庆市科技计划项目cstc2015shmszx10017资助;第三军医大学第一附属医院重大领域科技创新项目SWH2016ZDCX1011。
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