膀胱肿瘤离体组织的拉曼光谱学研究

使用激光共聚焦显微拉曼光谱仪测取膀胱肿瘤和正常膀胱组织的拉曼特征谱,应用主成分分析/支持向量机(principal component analysis,PCA/support vector machines,SVM)分类器对数据进行判别分析,最后使用弃一交叉验证法(leave-one-out cross validation,LOOCV)测试判别结果的准确度。结果发现膀胱肿瘤组织与正常膀胱组织的拉曼光谱存在明显差异,肿瘤组织在782和1 583cm-1等核酸特征谱带处峰高显著增强,而正常组织在1 061,1 295,2 849,2 881cm-1等蛋白质和脂质特征谱带处峰高显著增强。PCA/SVM可良好区分膀胱肿瘤组织和正常膀胱组织的拉曼光谱,LOOCV测试分类器显示肿瘤诊断的敏感度86.7%、特异度87.5%、阳性预测值92.9%、阴性预测值77.8%。由此得出结论:拉曼光谱可以良好诊断膀胱肿瘤的体外组织,展现了优越的临床应用前景。     

拉曼光谱技术在病理诊断中的研究进展

拉曼光谱技术能够提供与物质特定分子结构相关的光谱信息,可用于识别生物组织微小的生化变异,具有快速、实时、无损、无需样本预处理等优点,在临床病理诊断领域极具应用前景。与常规组织病理学分析相比,拉曼光谱技术能够直接检测活体组织,简化了分析程序,缩短了诊断时间。人体病变组织的细胞分子组成和结构可能发生变化,这为拉曼光谱技术在组织病理诊断中的应用提供了检测依据。基于组织分子组成与结构的差异,结合机器学习和化学计量学方法,拉曼光谱技术可以提供客观的诊断信息,实现快速、低侵入的病理诊断。回顾了近十年来拉曼光谱技术在组织病理诊断中的研究进展,对取得的关键成果进行了总结,阐述了当前离体和活体应用拉曼光谱技术的一些关键问题。针对离体拉曼光谱检测,重点评估福尔马林固定石蜡包埋样本、冷冻样本和新鲜组织样本等离体样本的适用情况;阐述拉曼光谱数据收集的关键技术,包括适用光源、光谱范围,以及病理样本光谱采集的方式等。对于活体拉曼光谱检测,重点介绍了活体检测研究中拉曼光谱技术应用的两种形式：结合医用内窥镜进行体内检测,以及开放手术中的直接检测;综述了临床适用的拉曼系统,重点介绍了当前活体拉曼研究中应用的光纤探头。同时,文章也讨论了拉曼光谱数据的处理与分析方法,通过光谱预处理,特征提取与分类识别,构建拉曼光谱病理诊断模型,在小样本范围能够获得较好的诊断结果。考虑临床实际应用,仍需要不断优化分析方法,实现拉曼光谱与生化信息的关联,将样本个体差异的影响纳入分类模型中,以提升模型性能。文章对拉曼光谱应用于病理诊断中的关键问题进行了讨论,为进一步开展研究提供参考。未来需要更深入和广泛地开展离体和活体研究,以促进拉曼光谱技术在临床中的应用。     

基于拉曼光谱的卵巢癌诊断研究

卵巢癌是一种发病率和致死率极高的女性妇科疾病。目前卵巢癌的临床诊断主要依靠病理学检测,超声法以及检测血液中肿瘤标志物CA125,但是上述几种方法都存在其固有的缺陷。本研究提出应用拉曼光谱结合偏最小二乘-判别分析(PLS-DA)模型,实现在分子水平上判别诊断卵巢癌。拉曼光谱在正常组织与癌组织之间存在反映其癌变过程物质结构变化的微小差异。因此,通过结合PLS-DA数据模型分析拉曼光谱信息,能够将微小差异放大化,捕获生物分子的显著特征。在研究中,模型的变量数目选择其分类错误率最小时的数值,即隐变量的数目为5,能够捕获大量的官能团特征性信息,通过分析隐变量的p值大小可知5个隐变量均可实现对正常组织与癌组织的有效区分,并且第一个隐变量具有最明显的区分结果。通过模型运算结果可知,该模型对卵巢癌判别的准确性达到85.2%(其中灵敏性为86.2%,特异性为85.4%)。研究结果表明,拉曼光谱技术,通过与PLS-DA模型相结合,可作为卵巢癌临床诊断中的辅助诊断方法,从分子水平上实现对卵巢癌的诊断判别。     

基于5-氨基乙酰丙酸的SD大鼠结肠组织荧光光谱多变量统计分析方法研究

探讨用多变量统计分析方法对激光诱导的SD大鼠结肠组织5-ALA-PpⅨ荧光光谱进行分类,以诊断结肠早癌。对20只DMH诱导的SD大鼠,12只诱导鼠的第二代鼠,8只正常SD大鼠,按25 mg·kg-1体重剂量尾静脉注射5-ALA,150 min后进行活体激光检测,钛宝石激光器激发波长370 nm。将343条3类组织谱线分为训练组和预测组,经预处理,再采用主成分分析法提取4个主成分变量。利用训练组建立逐步多变量Logistic回归模型,并对预测组预测。3类组织病理类型两两结合,共构建3个回归方程。正常组织与早癌及进展期癌识别的特异性分别为100%, 98.4%,敏感性分别为96%, 100%,准确率分别为98%, 99.2%。在光敏剂5-ALA的辅助作用下,对370 nm激光诱导的结肠组织荧光光谱,采用主成分变量压缩与逐步多变量Logistic回归分析方法相结合,可以获得较高的正常组织对早癌及进展期癌组织识别特异性和敏感性,是一种较有潜力的结肠早癌无损诊断方法。     

基于拉曼光谱技术的甲状腺疾病检测的研究

基于光学成像与光谱技术的无损检测是生物医学光学交叉领域研究的重要发展方向。其中拉曼光谱技术可获得检测对象的生化成分的“指纹信息”,被广泛应用于面向生物分子,细胞以及生物组织的检测诊断研究。甲状腺疾病尤其肿瘤的临床检测往往涉及多方法和技术手段的结合,且存在一定的诊断难度,因此发展新的检测技术方法具有重要的意义。首先综述了拉曼光谱技术在甲状腺细胞系的单细胞拉曼光谱检测与分析,然后介绍甲状腺病理组织和甲状腺正常组织的拉曼光谱鉴别诊断(特别介绍了本研究小组开展以银纳米粒子为增强基底的甲状腺离体组织SERS光谱研究情况),以及拉曼光谱技术在甲状腺激素等方面的研究概况。最后简要探讨了拉曼光谱技术在该领域的研究应用前景和发展方向。     

宫颈正常与宫颈癌组织傅里叶变换红外光谱的初步研究

利用傅里叶变换红外光谱对宫颈鳞癌(17例)、宫颈腺癌(5例)及宫颈正常组织(13例)进行了分析。结果显示,18个谱带在各类组织中的出现概率都在80%以上,显示其在组织中的特征性;这3类组织红外光谱的相对吸收峰吸光度差异主要表现在1 080,1 238,1 314,1 339,1 397,1 454,1 541,1 647,2 854, 2 873,2 926和2 958 cm-1处的比较上。傅里叶变换红外光谱仪可用于区分宫颈鳞癌、腺癌及宫颈正常组织,以该仪器为基础的方法有望成为宫颈癌筛检及临床诊断的新方法。     

近五年拉曼光谱技术在宫颈癌中的研究进展

宫颈癌是女性发病率第四位的癌症,如果能早期诊断宫颈癌和宫颈上皮内瘤变可大大提高生存率。现有的诊断技术存在假阳性率高、特异度低、灵敏度低、耗时、价格高等问题。拉曼光谱技术是一种可靠的新兴的技术, 它可分析物质的分子结构,还可以分析人体组织的化学成分。在医学研究方面,拉曼成像已成功应用于鼻咽、胃肠、肺、食管、肾、脑癌等。综述总结了近五年拉曼光谱技术在宫颈癌中的关键研究。拉曼技术对宫颈癌的研究已有几十年的历史,近五年的研究在诊断宫颈癌的同时,更深入地研究了炎症因素对诊断的影响、宫颈鳞癌腺癌的区分等。本综述从体内组织学、体外组织学、细胞学以及血液方面分类总结了近五年的文献,还汇总了文章中出现的数据处理方法、激发光波长、拉曼波数及其代表物质。现有文献证明,拉曼光谱对宫颈癌的诊断特异性及准确度均可达到90%以上,不亚于传统HE染色,并且相较于HE染色,拉曼技术拥有免染色、免固定、专业人员需求量少、快速等优点,对于宫颈癌的诊断提供了另一种可行性。然而,拉曼光谱在应用于临床之前,还需要更多的研究及证据来充分论证拉曼光谱在宫颈癌诊断中的作用,我们也期待着能有更多样本数据,更多研究思路的出现。     

人体不同组织的拉曼光谱研究

测试了人体甲状腺、卵巢、输卵管、肺、子宫平滑肌、子宫颈等组织的拉曼光谱。结果显示,用氩离子激光514.5 nm激发,人体组织拉曼光谱的荧光背景强,在500～3 500 cm-1范围,肺和宫颈组织未显示特征带,甲状腺和子宫组织则显示了较多的带。在600～1800 cm-1范围,子宫、输卵管组织只显示了类胡萝卜素的拉曼带。正常甲状腺组织的光谱和甲状腺滤泡癌组织的光谱之间显示出明显差异,后者没有呈现1 585和1 634 cm-1特征带;正常肺组织与肺癌组织的拉曼光谱也有较大区别,肺癌组织的光谱强度比正常组织的低得多。拉曼光谱技术在临床医学诊断方面将会发挥重要的作用。     

甲状腺癌组织的傅里叶变换拉曼光谱研究

利用傅里叶变换拉曼光谱仪得到了甲状腺癌和甲状腺正常组织样品的拉曼光谱,这2种组织样本的拉曼特征峰主要出现在400～3 500 cm-1的波长范围内。在甲状腺正常组织的拉曼光谱中位于503和758 cm-1处有两个特征峰,758 cm-1处峰指认为苯环的环振动,503 cm-1处的拉曼峰经分析初步指认为C—Ⅰ伸缩振动,这2个特征峰在甲状腺癌的拉曼光谱中均消失。在甲状腺正常组织的拉曼光谱中位于3 062和1 003 cm-1处酪氨酸的特征峰,在甲状腺癌组织的拉曼光谱中,这2处峰的相对强度明显降低。因此,拉曼光谱法有望成为甲状腺癌诊断的有效方法。     

子宫病变组织的拉曼光谱研究

拉曼光谱方法可以从分子水平反映组织、细胞在化学成分及分子结构上的差异,现已在细胞、组织的结构、功能及病变等方面的研究工作中取得了重大进展.文章首次利用光纤拉曼光谱仪研究了子宫肌瘤、子宫内膜癌、子宫腺肌症等子宫病变组织的拉曼光谱,并与对应正常组织的拉曼光谱进行了比较.结果表明:子宫肌瘤组织中甲硫氨酸C-S键振动引起的拉曼峰分裂成为双峰,包括一个由色氨酸振动引起的峰,并出现了一个胡萝卜素引起拉曼峰,这在正常肌层组织中没有体现出来,子宫内膜癌组织在1 447 cm-1处对应着CH2-CH3的变形振动,表现出组织癌变的特征峰;子宫腺肌症组织在骨架α螺旋C-C键的伸缩振动引起的拉曼峰强度明显弱于正常组织,其由C-O键弯曲振动引起的拉曼峰由正常组织的1 160 cm-1移至1 173 cm-1.以上结果进一步证实了拉曼光谱技术能在分子水平有效鉴别不同的子宫病变,这不仅有助于子宫病变的早期诊断,同时,对子宫疾病的基础研究也是至关重要的.而基于光纤的拉曼光谱技术将有望发展成一种高灵敏的诊断技术.     

Raman spectroscopy at different excitation wavelengths (1064, 785 and 532 nm) as a tool for diagnosis of colon cancer

Raman spectroscopy is structure sensitive non‐destructive method that allows observing the status of biological tissues with minimal impact. This method has a great potential in the diagnosis of various types of degenerative diseases including cancer damages. Near‐infrared Fourier transform (NIR‐FT)‐Raman (λ_ex ~1064 nm), NIR‐visible (Vis)‐Raman (λ_ex ~785 nm) and Vis‐Raman (λ_ex ~532 nm) spectra of normal and colorectal carcinoma colon tissue samples were recorded in macroscopic mode at 10–20 randomly chosen independent sites. In the cases of NIR‐Vis‐ and Vis‐Raman spectra, enhanced resonance effects were observed for tissue chromophores absorbing in the visible area. Evident spectral differences were noticed for Raman spectra of normal colon tissue samples in comparison with abnormal samples. The average Raman spectra of colon tissue samples were analysed by principal component analysis (PCA) to discriminate normal and abnormal tissues. PCA of combined dataset containing Raman intensities of chosen NIR‐FT, NIR‐Vis or Vis‐Raman bands led to discrimination of normal and abnormal colon tissue samples. Therefore, combination of these three Raman methods can be helpful for recognizing cancer lesions in colon for diagnostic purposes. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

胃粘膜组织共焦显微拉曼光谱分类研究

采用基于小波变换的光谱去噪和背景扣除预处理技术,对32例(其中:13例正常,19例癌变)胃粘膜组织拉曼光谱进行分析,克服了手动背景扣除的一些缺点,并观察到一些新的光谱特征。基于此,给出能对所有正常组织和癌变组织进行有效分类的特征量和判据。通过研究这些特征量与胃粘膜组织癌变发展阶段之间的定量关系,可望实现胃癌的早期诊断。     

采用氧合血红蛋白吸收带的漫反射光谱比率R（540）/R（575）检测浅表性膀胱癌

采用氧合血红蛋白在540和575 nm吸收带的漫反射光谱比率(R540/R575)对人浅表性膀胱癌进行了鉴别诊断,实验采用带积分球附件的分光光度计获取组织的漫反射光谱。结果表明:正常膀胱的粘膜/粘膜下层组织的漫反射光谱比率(R540/R575)在组织离体后2 h的平均值为111%,3 h的平均值为107%,4 h的平均值为104%,5 h的平均值为102%,而浅表性的膀胱癌的粘膜/粘膜下层组织的漫反射光谱比率(R540/R575)在组织离体后2 h的平均值为98.4%,3 h的平均值为95.5%,4 h的平均值为93.1%,5 h的平均值为91.6%,正常膀胱与浅表性膀胱癌的粘膜/粘膜下层组织在组织离体后2,3,4和5 h的漫反射光谱比率(R540/R575)均有显著性的差异(p<0.05),分别为12.6%,11.5%,10.9%和10.4%。这结论为快速、低成本、非入侵的浅表性膀胱癌的光活检提供了一种新的方法。     

Near‐infrared Raman spectroscopy for gastric precancer diagnosis

Raman spectroscopy is a molecular vibrational spectroscopic technique that is capable of optically probing the biomolecular changes associated with neoplastic transformation. The purpose of this study was to apply near‐infrared (NIR) Raman spectroscopy for differentiating dysplasia from normal gastric mucosa tissue. A total of 65 gastric mucosa tissues (44 normal and 21 dysplasia) were obtained from 35 patients who underwent endoscopy investigation or gastrectomy operation for this study. A rapid NIR Raman system was utilized for tissue Raman spectroscopic measurements at 785‐nm laser excitation. High‐quality Raman spectra in the range of 800–1800 cm⁻¹ can be acquired from gastric mucosa tissue within 5 s. Raman spectra showed significant differences between normal and dysplastic tissue, particularly in the spectral ranges of 850–1150, 1200–1500 and 1600–1750 cm⁻¹, which contained signals related to proteins, nucleic acids and lipids. The diagnostic decision algorithm based on the combination of Raman peak intensity ratios of I₈₇₅/I₁₄₅₀ and I₁₂₀₈/I₁₆₅₅ and the logistic regression analysis yielded a diagnostic sensitivity of 90.5% and specificity of 90.9% for identification of gastric dysplasia tissue. This work demonstrates that NIR Raman spectroscopy in conjunction with intensity ratio algorithms has the potential for the noninvasive diagnosis and detection of precancer in the stomach at the molecular level. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

结直肠组织中脂类的拉曼光谱研究

利用共聚焦显微拉曼光谱系统,检测了结直肠癌组织及邻近正常组织的拉曼光谱234例,从分子水平探讨结直肠癌变的原因。实验结果表明：在900～2 100 cm-1频移范围内,与正常组织比较,归属于结直肠癌组织中脂类伸缩振动的1 067和1 133 cm-1 拉曼峰强度相对较弱,扭转振动的1 299 cm-1与CH面内变形振动的1 264 cm-1拉曼峰的强度比值减少,应用SPSS16.0统计学软件进行平均值计算与比较,正常组织中的1 299和1 264 cm-1的强度比值平均值为3.17,癌变组织的为1.33; 二者的分界值为1.96,以此判别结直肠癌组织和正常组织符合率为94%。研究表明,结直肠癌组织中脂类的链内纵向有序性下降,不饱和度增加。可推测结直肠癌组织中脂类的能量储存增加是引起这些变化的原因,而这些变化将导致细胞膜的流动性增强,从而改变细胞膜的物质运输、能量传递和信号传导,终将引起DNA 结构的变化。因此,脂类的能量分布变化可能是导致细胞癌变的原因之一。     

Raman spectral properties of squamous cell carcinoma of oral tissues and cells

Early diagnosis is the key of the improved survival rates of oral cancer. Raman spectroscopy is sensitive to the early changes of molecular composition and structure that occur in benign lesion during carcinogenesis. In this study, in situ Raman analysis provided distinct spectra that can be used to discriminate between normal and malignant tissues, as well as normal and cancer cells. The biochemical variations between different groups were analyzed by the characteristic bands by comparing the normalized mean spectra. Spectral profiles of normal, malignant conditions show pronounced differences between one another, and multiple Raman markers associated with DNA and protein vibrational modes have been identified that exhibit excellent discrimination power for cancer sample identification. Statistical analyses of the Raman data and classification using principal component analysis (PCA) are shown to be effective for the Raman spectral diagnosis of oral mucosal diseases. The results indicate that the biomolecular differences between normal and malignant conditions are more obviously at the cellular level. This technique could provide a research foundation for the Raman spectral diagnosis of oral mucosal diseases.     

拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展

拉曼光谱是基于拉曼散射效应而发展起来的一种光谱分析技术,体现的是分子的振动或转动信息。由于拉曼光谱技术与常规化学分析技术相比,具有对样品无损、样品制备简单和所需样品量少等特点,广泛用于生物大分子结构变化的研究。拉曼光谱不仅可以用于蛋白质、核酸和脂类等生物大分子损伤的快速检测,而且可以用于癌症的诊断与手术治疗。通过对比正常组织与癌变组织的拉曼光谱,可以找到两种组织特征吸收峰的差异,从而为癌症的最终确诊和确定肿瘤切除范围提供重要信息。文章综述了拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展,介绍了利用表面增强拉曼光谱、傅里叶变换拉曼光谱和紫外共振拉曼光谱等技术在检测蛋白质二级结构、膜脂及DNA损伤中的应用,并展望了未来拉曼光谱技术的发展前景。     

Optical Observation of Lung Cancer With Attenuated Total Reflectance–Fourier Transform Infrared Microscope (ATR-FTIR) and Confocal Raman Microscope

ABSTRACT

Optical observation of lung cancer tissues using attenuated total reflectance–Fourier transform infrared microscope (ATR-FTIR) and confocal Raman microscope were performed. A total of six malignant tissues, seven tissues adjacent to cancer, and nine normal tissues from nine patients with known lung cancer were studied. High-quality spectra from human tissues were obtained only in a few seconds. The results revealed that some of the spectral characteristics varied significantly between normal and malignant tissues, that is, IR peak positions, Raman shift, and the spectral intensities. Differences in positions of 10 main peaks in IR shifts and 13 main peaks in Raman shifts were listed, and the intensity changes were also studied between the malignant and normal tissues. The ratios of 1453-cm^?1/1645-cm^?1 intensity in IR spectrum and 1245-cm^?1/1571-cm^?1 intensity in Raman spectrum were found with the most significant difference (p < 0.0001 and p < 0.05 separately) in statistics and may be used in combination to differentiate the normal and malignant tissues. ATR-FTIR spectrum and Raman spectrum were mutually complementary in the observation of many materials and were both found with high sensitivities and spatial resolutions in the observation of human tissues. This study will be helpful to developing rapid and accurate cancer detection techniques in future clinical diagnosis.