文摘

拉曼散射一直是用于分析化学成分在生物系统。由于其高化学特异性和非侵入性的探测能力,拉曼散射被广泛用于癌症筛查,诊断和术中手术指导在过去的十年里。为了克服自发拉曼散射的微弱信号,相干喇曼散射和表面增强拉曼散射发达国家和最近在癌症研究领域的应用。本文侧重于创新在癌症诊断中使用拉曼散射的研究及其潜力从基础研究到临床应用的转变。

1。介绍

癌症仍然是世界上的大挑战。迫切需要新技术的发展为癌症筛查、诊断和术中手术指导。拉曼散射一直是用来评估化学成分在细胞和组织,基于交互的共同分子键的振动模式样本。因此,改变细胞或组织经历了疾病的分子特征转换可以检测到拉曼散射早没有标签。可想而知,拉曼光谱是一种可取的工具对癌症诊断(1- - - - - -5]。然而,由于小的横截面(∼10−30厘米2每个分子),自发喇曼散射(如图1(一))需要一个长的积分时间,这阻碍了其生物和医学应用。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图1
自发拉曼散射的能量图(一)、汽车(b)和SRS (c)。

为了增强拉曼散射信号电平,相干喇曼散射(CRS)显微镜了6]。如数据所示1 (b)和1 (c),在大多数CRS成像实验中,使用两个励磁字段,表示泵(ωp)和斯托克斯(ω年代)。当跳动频率(ωp−ω年代)匹配与分子振动模式下,相干anti-Stokes喇曼散射的频率(汽车)”(ωp−ω年代)+ωp”和受激拉曼散射(SRS)的频率”ω年代”或“ωp“将同时发生。由于大信号电平CRS显微镜,CRS成像∼1000倍的速度比拉曼显微镜和扫描∼10000倍的速度比point-scan拉曼显微镜(7]。SRS /汽车的优势在于nonresonant SRS信号是完全免费的背景,这使SRS显微镜高度敏感的生物化学成像和定量方法(8- - - - - -11]。此外,SRS可以根据环境光操作。同时,纳米技术的飞速发展导致了表面增强拉曼散射(ser)的发展,虽然也会极大的增强拉曼信号标签的方式(12,13]。

这样的功能,拉曼scattering-based技术可以在癌症诊断领域得到广泛应用。在这次审查中,我们总结的最新发展和应用拉曼scattering-based癌症诊断的技术。特别是,我们强调三个重要技术的创新研究,自发的拉曼光谱,CRS,和爵士,他们可能从基础研究到临床应用的转变。

2。自发拉曼散射对癌症的诊断

2.1。体外
2.1.1。Biofluids

保护等人采用拉曼光谱诊断乳腺癌在老鼠模型中使用尿液和分类效率获得80%和72%的利用主成分分析和主component-linear判别分析,分别为(14]。并行,Elumalai等人利用拉曼光谱描述正常和口腔癌患者的尿液,发现主成分分析线性判别分析能够区分正常患者和癌症患者的准确性达93.7%,敏感性为98.6%,特异性为87.1% (15]。此外,Sahu等人进行的血清拉曼光谱分析口腔癌患者和健康受试者,发现拉曼的β-胡萝卜素和DNA含量可用于口腔癌症诊断(16,17]。

2.1.2。组织

(1)胃肠道癌症。杏仁等人评价内窥镜拉曼光谱的能力等级巴雷特esophagus-associated高档发育不良和腺癌基于673年的生化特征不同的组织类型体外食管组织样本62例,并演示了敏感性为86%,特异性为88% (18]。许等人能够区分胃肠道间质瘤和腺癌和正常胃粘膜使用共焦拉曼显微镜,基于不同的拉曼信号对应于磷脂和蛋白质结构19]。作者进一步证明了共焦拉曼显微镜可以用于区分四个胃腺癌的组织学类型,包括乳头状腺癌、管状腺癌、粘液腺癌、印戒细胞癌(20.]。彼得森等人进行了拉曼光纤测量结肠活检样本在结肠镜检查和显示诊断准确性超过70% (21]。

(2)皮肤癌。Nijssen等人表明拉曼光谱可以区分基底细胞癌从其周围组织无污点的冰冻切片的15基底细胞癌标本(22]。Gniadecka等人是第一个研究拉曼光谱在黑色素瘤诊断的可行性。通过神经网络对拉曼光谱的分析,作者发现结构性改变蛋白质和脂质在完整的癌症组织和获得85%的黑色素瘤的诊断敏感性和特异性为99% (23]。Bodanese等人采用拉曼光谱识别恶性基底细胞癌和黑色素瘤在体外,与蛋白质、脂类和黑色素占所有光谱变异的95.4% (24]。作者进一步显示更高的敏感性和特异性的主成分分析模型相比,生化模式(25]。因为建设光纤探头适用于拉曼光谱指纹区是复杂的,Nijssen等人评估并确认high-wavenumber地区也提供了足够的信息对准确诊断的基底细胞癌(26]。

(3)乳腺癌。弗兰克et al。27)的拉曼光谱进行了第一个研究乳腺癌的诊断。脂类和类胡萝卜素的光谱显示拉曼微分特征正常和癌变活检。在以后的研究中,作者发现弱得多脂质胶原乐队乐队和突出病变标本与正常同行(28]。通过应用拉曼光谱和主成分分析,毛利族等人发现,II型微钙化物质形成恶性导管通常包含一个小数量的碳酸钙和更大数量的蛋白质比形成良性的管道(29日]。三年后,作者用拉曼光谱来分析人类乳房良性和恶性病变组织收集58例。结合九代表光谱乳房组织的形态和化学特性,线性组合模型为区分癌组织和正常的和良性的组织开发的敏感度达到94%,特异性96%,脂肪和胶原蛋白作为诊断算法中的关键参数(30.]。

(4)肺癌。黄等人进行近红外(NIR)拉曼光谱从患者的组织标本,发现拉曼强度的比率在1445年到1655厘米−1可以用来识别恶性支气管组织(31日]。麦基等人设计了一个mini-fiber-optic拉曼探针,是适合插入支气管镜的工作通道,而准确地分类正常和恶性肺组织体外(32]。

(5)脑癌。Koljenovic等人证明了拉曼光谱的能力区别至关重要的肿瘤坏死组织的不固定的cryosections收集的胶质母细胞瘤20例(33]。五年后,作者进一步分析了脑组织切片从7猪用high-wavenumber拉曼光谱在一个单一的光纤探头设置,显示潜在的拉曼光谱作为术中指导工具(34]。约翰等人应用光谱分离算法识别细胞密度和细胞核在拉曼图片原发性脑瘤组织部分。这项工作表明,形态和成分相关的组织病理学和互补信息提供更好的诊断(35]。

2.2。在活的有机体内
2.2.1。动物模型

Kirsch等人证明了拉曼光谱可以用来检测颅内肿瘤在活的有机体内通过大脑表面映射精度约250μ米(36]。在同年,Beljebbar等人证明了拉曼光谱可以区分正常的大脑和肿瘤组织有100%的准确度在C6胶质母细胞瘤的动物模型中,根据生化信息,主要是脂质信号的变化(37]。

2.2.2。人类的研究

(1)胃肠道癌症。近年来,黄组做出了重大贡献,推动使用拉曼光谱在胃肠道癌症的诊断在活的有机体内在临床内镜检查(38- - - - - -47]。黄等人开发了一种窄带的导航下拉曼内镜技术诊断胃发育不良在活的有机体内(39]。重要的正常细胞和发育异常的胃组织拉曼光谱差异导致诊断敏感性为94.4%,特异性为96.3%。清蛋白、核酸、磷脂和组蛋白被发现是最重要的特性建立诊断模型(38]。伯格浩特等人集成小说光纤拉曼光谱半定量的光谱建模和显示在胃组织中生化成分逐步改变在肿瘤出现前的和肿瘤转变。总共有1277在活的有机体内拉曼光谱从83年胃患者收集,敏感性为83.33%,特异性为95.80%均获得发育异常的敏感性为84.91%,特异性95.57%的人获得了腺癌(40,41]。作者进一步特征在活的有机体内正常与癌变结肠癌组织拉曼光谱特性,表明偏最小squares-discriminant分析了检测结直肠癌的诊断准确率为88.8% (48]。同时,垫片等人还演示了近红外拉曼光谱用于临床的可行性胃肠内镜(49]。

(2)乳腺癌。毛利族等人证明在活的有机体内拉曼光谱利润率评估在九个部分乳房切除乳房手术的病人。他们先前诊断算法的应用程序导致的敏感性和特异性分化正常和癌组织(50]。Brozek-Pluska等人应用拉曼光谱检查非癌变和人类乳房癌组织相同的病人最重要的差异,发现非癌变和癌变组织相关的类胡萝卜素,蛋白质和脂肪,特别是不饱和脂肪酸(51]。

(3)脑癌。Desroches等人进行了一次详细的手持式拉曼光谱表征系统为了最大化的体积在神经胶质瘤手术切除癌组织。初步的测量正常,坏死,从10个病人证明了收集和癌组织坏死可能是区别至关重要的组织,包括正常和癌变的脑组织,87%的准确性(52]。同年,杰明等人开发了一个头接触活的拉曼光谱探测技术,当地检测癌细胞在人类的大脑53)(图2)。通过使用这种技术,作者能够精确识别癌细胞与敏感性93%,特异性91%。


图2
头接触活的拉曼光谱探测技术,当地检测癌细胞在人类的大脑。(一)系统设置;(b)拉曼光谱在人类大脑的正常和癌变细胞;(c)的诊断敏感性和特异性。从裁判允许转载。52]。

(4)皮肤癌。他等人实时计算拉曼光谱系统的诊断皮肤癌在活的有机体内。从453年共有518个良性和恶性病变患者以一秒/病变。良性、癌前期nonmelanoma,黑色素瘤病变分化从95%到99%,特异性和敏感性(从15%到54%不等54]。

(5)子宫颈癌。黄组已经进行了几项研究颈癌前期利用拉曼光谱检测在活的有机体内(55,56]。作者表明,整合与遗传algorithm-partial至少squares-discriminant近红外拉曼光谱分析可以确定7诊断重要喇曼乐队相关的蛋白质,核酸,脂质和获得了癌前期检测的准确度为82.9% (55]。后来,作者表明,近红外光谱共焦拉曼光谱可能进一步提高诊断精度较高的敏感性和特异性(56]。通过分析在活的有机体内拉曼光谱从93年受试者在临床监督下,族长等人发现丰富的胶原蛋白在正常宫颈肿瘤DNA和突出。校长component-linear判别分析取得了97%的效率来区分正常和肿瘤组织(57]。

3所示。相干喇曼散射对癌症的诊断

3.1。体外
3.1.1。脑癌

谢组小说的发展做出了巨大的贡献相干喇曼散射显微镜神经病理诊断(58- - - - - -61年]。埃文斯等人证明了可行性的汽车显微镜来确定正常的大脑结构和主要神经胶质瘤新鲜不固定的和清白的体外大脑组织(58]。五年后,Freudiger等人开发了五彩缤纷的相干拉曼成像可视化脂质和蛋白质的信号起源于CH2和CH3振动在大脑新鲜组织。这些多色相干喇曼画面显示几乎相同的形态信息与相应的组织病理学图像(59]。Uckermann等人进行汽车成像的大脑组织原位人类胶质母细胞瘤小鼠模型和碳氢键的分子振动区域。基于脂质含量,作者能够描绘肿瘤细胞分辨率的利润率和入渗的(60]。最近,霁等人使用SRS显微镜研究人类大脑肿瘤浸润在新鲜、未加工的手术标本22神经外科病人。这项研究显示,SRS是能够检测肿瘤浸润在高协议)染色。作者进一步创建了一个分类器通过定量分析细胞结构,轴突密度、和蛋白质:脂质比和上涨97.5%敏感性和特异性98.5%检测肿瘤浸润[61年]。

3.1.2。肺癌

黄组开发汽车显微镜从非肿瘤的分化肺癌肺组织基于先验知识包括建立了细胞病理检查和诊断。92新鲜冷冻肺组织样本进行了分析,得到了92%和91%的敏感性和特异性肺癌诊断(62年,63年]。通过结合深度学习和汽车成像,黄组实现自动鉴别诊断肺癌的64年]。

3.2。在活的有机体内
3.2.1之上。动物模型

霁等人最近演示了SRS显微镜的描绘神经胶质瘤浸润在动物模型中基于histoarchitectural和生化差异。他们的研究结果证实了良好的相关性SRS和苏木精和伊红显微镜检测神经胶质瘤浸润(k = 0.98)。作者进一步运用SRS显微镜在活的有机体内在手术过程中识别肿瘤边缘(65年)(图3)。后来,霁集团开发利用SRS显微镜实时双色成像,在单色SRS可能达到的最大速度。作者还证明了该方法可以执行准确实时的组织学在活的有机体内在传输和epi模式(66年]。


图3
SRS显微镜描述神经胶质瘤浸润在动物模型。(一)系统设置;白质(b)拉曼光谱,皮层,和肿瘤;(c)的小鼠大脑核磁共振图像;(d) SRS和相应的)神经胶质瘤组织的形象。从裁判允许转载。65年]。
3.2.2。人类的研究

最近,Orringer等人表现出fiber-laser-based SRS显微镜,可以执行未经加工的手术的术中快速组织学标本101神经外科病人。定量,作者发现了一个惊人的预测SRS和常规组织学诊断的一致性(κ与准确性超过90% (> 0.89),67年]。Hollon等人进一步利用这个方法的术中诊断小儿脑瘤,达到近乎完美的诊断一致性(κ> 0.90)和一个92 - 96%的准确性(68年]。

4所示。表面增强拉曼散射(ser)对癌症的诊断

4.1。体外

戴等人执行ser区分人类口腔癌症细胞和正常成纤维细胞在体外基于特征拉曼信号的腺嘌呤在735厘米−1(69年]。Grubisha等人开发了一个基于ser免疫测定,取得了快速femtomolar检测前列腺癌的前列腺特异性抗原筛查(70年]。李等人爵士和支持向量机技术应用于分析血清样本93名前列腺癌患者和68名健康志愿者。一个诊断的准确性达到98.1% (71年]。Del Mistro等人进行了一次初步的ser光谱学研究前列腺癌检测尿液。利用主成分分析和线性判别分析,本研究达到了灵敏度为100%,特异性为89%,整体诊断准确率为95% (72年]。峰等人使用ser光谱学分析纯化整个蛋白质从人类唾液和实现了鼻咽癌诊断的准确性为90.2% (73年]。作者进一步显示ser能够区分健康受试者,良性乳腺肿瘤患者,和恶性乳腺肿瘤患者,分别为> 70%的敏感性和特异性> 80%,(74年]。

4.2。在活的有机体内
4.2.1。准备动物模型

摩氏等人集成NIR造影剂与手持光谱笔设备执行ser分析乳腺肿瘤的老鼠和可以识别肿瘤边界术前和术精度高(75年]。Dinish等人瘤内注射antibody-conjugated ser nanotags专门针对三个内在癌症biomarkers-EGFR, CD44,鉴定及RII乳腺癌模型。ser信号特别在肿瘤中发现动物最大6小时接受(76年]。Karabeber等人开发了一个爵士nanoparticle-guided手持式拉曼扫描仪识别肿瘤组织在转基因rca /电视胶质母细胞瘤小鼠模型。该方法的检测精度比白光独自可视化(更准确77年]。Harmsen等人开发了新一代的ser纳米颗粒可用于可视化肿瘤边缘,肿瘤侵犯,并与高精度局部区域肿瘤扩散,在胰腺癌的小鼠模型,乳腺癌,前列腺癌和肉瘤(78年)(图4)。


图4
新一代的ser纳米粒子用于可视化肿瘤边缘,肿瘤侵犯,并与高精度局部区域肿瘤扩散。(一)纳米结构;(b)纳米颗粒大小分布;(c)原位的照片暴露在鼠标上腹部胰腺癌的头部,胰腺(白色虚线概述)。对应的拉曼图像显示SERRS-nanostar信号在宏观上可见肿瘤的头部以及小散疫源地SERRS-signal在其他正常胰腺的地区。(d)切除胰腺的摄影图像和高分辨率拉曼(c)。从裁判允许转载。78年]。
4.2.2。对人类的研究

Garai等人最近开发出一种微型,无触点,optoelectromechanical喇曼设备附加到临床内窥镜和证明,这个设备可以改善胃肠道癌症诊断的准确性和速度通过使用一系列的ser纳米颗粒(79年]。

5。Raman-Based技术的集成与其他光学模式对癌症的诊断

5.1。体外

Popp来说集团综合拉曼光谱学、汽车、二次谐波发生(宋惠乔)和two-photon-excited荧光(TPEF)成像在同一个平台,获得多通道图像各具特色的基底细胞癌和鳞状细胞癌(80年,81年]。集团进一步利用多通道图像脑组织非线性成像方法体外和确定肿瘤细胞学和建筑功能分级82年]。

5.2。在活的有机体内

该等人制定一个独特triple-modality磁共振imaging-photoacoustic imaging-Raman成像纳米颗粒选择性肿瘤边缘的多通道成像glioblastoma-bearing老鼠(83年)(图5)。宋等人开发了一个dual-modal fluorescence-Raman endomicroscopic系统,结合荧光和ser nanoprobes。这个系统是用于同时检测两个生物标志物,人类表皮生长因子受体2和表皮生长因子受体,在乳腺癌原位模型(84年]。金等人进一步证明的能力fluorescence-Raman endomicroscopic结直肠癌诊断系统在一个orthotopical异种移植模型(85年]。林等人开发了一个综合4-modality内窥镜系统结合白光成像,自体荧光成像、漫反射光谱,拉曼光谱技术在活的有机体内内窥镜检测鼻咽癌(86年]。


图5
一个独特triple-modality磁共振imaging-photoacoustic imaging-Raman成像(MPR)纳米颗粒选择性肿瘤边缘的多通道成像glioblastoma-bearing老鼠。(一)Triple-modality MPR概念;(b, c)原位接种三周后,小鼠肿瘤(n= 4)静脉注射与mpr (16 nm, 170μl)。光声拉曼,先生的大脑图像(皮肤和头骨完好无损)收购前和2 h, 3 h,分别和4 h后注射。(b) 2 d轴MRI,光声拉曼图片。所有三种形式的接受图像可视化展示清楚肿瘤。光声和喇曼图片coregistered先生的形象,展示好colocalization之间的三种形式。(c)先生的3 d渲染图像与肿瘤分割(红色;最高);覆盖的三维光声图像(绿色)在核磁共振(中间);MRI的叠加、分段肿瘤,光声图像(底部)显示好colocalization与肿瘤光声信号的。从裁判允许转载。83年]。

6。结论

label-free的能力和高度敏感的生物分子原位分析,拉曼scattering-based为癌症诊断技术提供强有力的工具。使用fiber-optic-based光传递和收集拉曼scattering-based技术大多是上执行访问组织表面,例如,在皮肤上,在胃肠道,或参考。拉曼散射的强度在于高灵敏度和特异性,导致快速和准确区分恶性或癌变前的正常组织。癌症诊断使用拉曼光谱的挑战仍然是如何找到特定的分子标记为不同类型的人类癌症。高光谱SRS显微镜,可以定量地图不同种类的分子,是一个很好的方法来发现新的癌症诊断的分子标记。

展望未来,我们将预测三个有前途的方向。一个是快速组织学基于双色SRS显微镜用于手术室在癌症手术。第二个是基于原位分子诊断快速使用手持式拉曼成像技术,例如,手持式拉曼光谱或高光谱SRS显微镜。第三是多通道成像和光谱系统,整合优势的形态,并可能提供更好的诊断为癌症。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

Sishan崔和烁张同样起到了推波助澜的作用。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金81501516(舒化曰),北京市自然科学基金L172011(舒化曰),和中国国家重点研发项目(2017年2017 yfc0108505 2017 yfc0108500, yfc0109502)。