近日，上海交通大学生物医学工程学院的叶坚教授和林俐助理教授报道将超亮的表面增强拉曼光谱（SERS，Surface-enhanced Raman spectroscopy）纳米探针与自制的透射拉曼装置相结合，开发出一款基于透射增强拉曼光谱的检测/成像系统，让拉曼光学信号可以穿透 14厘米深的肌肉组织并进行检测。该技术的发展将在很大程度上推进疾病的无创传感和筛查。

（图源：Small Methods）

光学检测和成像方法：肿瘤诊断的绝佳工具

体内病灶的无创检测，对于临床医学肿瘤诊疗至关重要。光学检测和成像方法具有实时、高灵敏、非电离辐射、采集方便等优势，结合外源性造影剂可以提供关于生物体结构、功能和分子的精确信息，是肿瘤诊断的绝佳工具。然而，由于生物组织对于光子有着强烈的散射与吸收作用，现有的光学检测技术面临的瓶颈问题是：组织穿透深度较低、无法检测深层病灶。因此，亟需开发一个能够检测深层病灶的光学方法，对于实现高质量的临床医学诊断非常重要。

将增强拉曼探针和透射检测装置结合的透射增强拉曼光谱技术可以实现具有高组织穿透能力的非侵入性检测。但是，目前该技术依旧无法满足实际生物医学应用的要求：首先，至今尚未实现使用透射拉曼光谱在较厚（比如大于10厘米）的生物组织上实现检测；其次，人们不清楚光子在透射拉曼检测中的传播过程以及及其对信号的影响；最后是激光安全性问题，在大多数体内表面的增强拉曼光谱研究中使用的激光剂量远高于最大允许曝光量极限，这在很大程度上阻碍了透射拉曼光谱技术的临床应用。 

可实现10厘米以上深层病灶无创探看

透射增强拉曼光谱技术到底能不能实现10厘米以上超高组织检测深度/厚度？叶坚团队和苗鹏副研究员共同指导博士研究生张玉敏对透射测量过程的物理机制进行深入挖掘，他们利用光子传输理论与辐射传递方程，对拉曼光子在组织中的传播过程进行研究。结果发现透射拉曼信号与病灶深度之间呈 U 型关系的，而提高SERS纳米探针的亮度是增加检测深度最直接有效的方法。

其次是光照安全剂量的问题。要实现10厘米以上的穿透深度，能不能用极低的激光功率实现呢？他们经过计算发现，增大激光光束尺寸时，几乎不会影响深层病灶的信号强度。原因在于，生物组织是高度散射体，光束在组织中传播后都将呈现扩散趋势。因此无论是使用聚焦光束还是扩散光束，对于深层病灶都是一样的效果。这意味着可以直接采用更大尺寸的扩散光束实现深层病灶的检测，从而显著降低照射到组织表面的激光功率密度。

因此，团队开发了高亮度的SER纳米探针和具备安全光照剂量的透射装置，最终在厚达14厘米的离体组织中实现了检测——比目前已报道最高的透射拉曼检测厚度还提高了97%。进一步地，他们也实现了对未剃毛活体小鼠体内埋的“病灶”仿体进行无创成像，这是传统拉曼成像方法完全无法做到的。

叶坚

未来有望准确获取病变深度信息

在当前的临床程序里，通常人们从经皮或术中扫描的医学成像着手，借此确定病变的位置。从治疗策略的设计、到手术规划和手术指导，预估体表以下病灶的深度，对于临床诊断起着关键作用。例如，在对患者进行光动力治疗之前，精确估计病变的深度有助于确定药物类型、剂量和激光参数。前哨淋巴结活检，通常包括识别和切除前哨淋巴结，准确估计前哨淋巴结的深度，可以缩短手术识别过程，降低前哨淋巴结切除过程中出血的风险。在肿瘤治疗方面，肿瘤深度信息可以用来判断结直肠癌的分期，进而帮助制定治疗策略。

这项技术能否在检测深埋于人体表面以下的病变的同时，获取它们的深度信息？叶坚表示，这也是团队继续努力的方向：“我们也在朝着这个目标努力，未来计划开发一种简单、光安全的方法，以便快速、准确地判断组织中深层病变的深度信息，使透射增强拉曼光谱技术更安全有效地用于无创体内生物医学检测。”

相关论文（图源：Small Methods）

来源：上海交通大学

值班编辑：杨雪婷

责任编辑：江倩倩