正常和癌癥血清的紅外光譜研究

楊紅霞 龐小峰*

（電子科技大學 生命科學與技術學院 成都 610054）

癌癥是目前對人類危害最大的頑疾之一，其死亡率高居各種疾病之首。而且隨著全球環境污染的日益加劇，癌癥的發病率正逐年提高。從60年代至今，我國一些醫務人員和科研人員在不同的癌癥高發區、高危人群中展開了癌癥的初篩、普查普治，發現了許多早期病人，早期癌癥病人約占普查發現癌癥總數的30%~70%。早期癌癥病人正規治療后的5年生存率高達70%~95%。因此找到一種方便、經濟、有效的早期診斷方法的意義是十分重大的。

隨著光譜技術與生物譜學研究的發展，光譜方法應用于腫瘤檢測的研究逐漸成為國內外的熱點課題[1~6]。九十年代以來，世界上一些研究小組用FTIR方法研究了各種癌細胞和正常細胞之間的差別[7,8]，發現在正常細胞和癌細胞的FTIR光譜之間，很多譜帶的峰位、峰強、相對峰強以及峰面積等存在差別，說明FTIR光譜可以在一定程度上區分正常細胞和癌細胞。翁詩甫等人從上個世紀九十年代中期開始對各種組織的FTIR光譜進行研究[9~14]。但是細胞培養周期長、組織取樣麻煩，而且檢測起來操作復雜。而血清相對來說取樣方便，對患者傷害小，檢測起來也很簡便、快速，而且還不需要任何試劑。因此，本文利用紅外光譜對血清進行檢測，試圖找到一種可以區分癌癥和正常人的檢測手段，從而為癌癥的早期診斷服務。經分析，癌癥病人和正常人在整個中紅外波段的吸收強度上有明顯的差異，因此，在醫學上可以用血清紅外檢測作為一種癌癥早期診斷的輔助手段。

1 實驗樣品、測試條件及方法

1.1 實驗樣品

正常人血清來自電子科技大學校醫院，癌癥病人血清來自成都市第三人民醫院腫瘤科。

1.2 測試條件

儀器：NICOLET NEXUS 670紅外光譜儀；光源:紅外光源；檢測器:DTGS CsI ； 波數范圍：4 000~400 cm-1； 分束器:KBr；采樣間隔:2.0000； 動鏡速度: 0.6329； 光闌:100.00； 樣品增益:2.0； 高通濾波: 200.0000； 低通濾波: 11000.0000； 樣品掃描次數: 32； 分辨率:4.000； 切趾函數: Happ-Genzel；相校正: Mertz

1.3 實驗方法

把血清放進離心管中，在4℃、12000r/min下離心十分鐘，離心后吸取上層血清，在上述實驗條件下測試，實驗是在室溫條件下操作，并且從取血清到實驗的測試在一天內完成。并采用OMNIC 32軟件對光譜進行自動基線校正，消除基線漂移，然后進行自動平滑，消除噪聲干擾。

2 實驗結果及分析

2.1 本實驗測試了10例正常人和8例不同類型癌癥的血清（其中包括卵巢癌、肺癌、宮頸癌、直腸癌、喉癌和食管癌）。而癌癥及正常人圖譜比較10例正常人的紅外吸收圖譜從峰形上看差別不是太明顯。但是吸收強度有些差別，在1000cm-1~2000cm-1左右波段內，正常人的吸收明顯大于癌癥患者的，而在2000cm-1~4000cm-1波段內，癌癥患者的吸收略大于正常人的。由于血清成分復雜，各種基團的振動和轉動相互疊加在一起，由圖可以看出血清的吸收以3000cm-1~4000cm-1和1000cm-1~1800cm-1的兩大波段為主要吸收區域，如圖1所示。

經過大量文獻查閱，發現主要差別的波段在1500cm-1~1000cm-1，因此，對該波段進行單獨顯示，如圖2所示。

由圖2我們可以看出雖然正常人和癌癥病人的血清內的主要基團的振動和轉動峰差別不明顯，但是正常人和癌癥病人的吸光度有明顯的差別，正常人的吸收在該波段的每一波數處都明顯比癌癥病人強很多。

2.2 紅外的吸收峰都是由分子內基團的振動和轉動引起的，而組織內主要基團及其吸收峰的峰位如表1[7,8]所示。而各種癌癥及正常人的每個吸收峰的峰位處的紅外吸收強度如表2所示。通過典型振動峰位處的強度比較，發現癌癥病人在波數為1000cm-1~2000cm-1波段內的峰位處的吸光度強度明顯低于正常人，1240cm-1和1082cm-1附近的峰說明癌癥血清內核酸中的磷酸二酯鍵的反對稱和對稱振動減弱；1162cm-1附近的峰說明癌癥血清內蛋白質中幾個帶有羥基的氨基酸(蘇氨酸、亮氨酸和酪氨酸)的C—O伸縮振動峰減弱；1458cm-1附近的峰說明癌癥血清內CH3和CH2的變角振動減弱；1745cm-1附近的峰說明癌癥血清內脂羰基的伸縮振動峰減弱；1643cm-1和1549cm-1附近的峰說明癌癥血清內蛋白質的酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶振動減弱。而在2000cm-1~4000cm-1波段內峰位處的吸光度卻高于正常人，在該波段主要是CH3、CH2的對稱和反對稱伸縮振動。由上可以說明癌癥血清內核酸、蛋白質的含量增加，而脂類物質的含量減少，這與組織和細胞得到的結論相反[15-17]，而且與理論也相逆。這可能是血清中水的吸收引起的。因此，本文在相同條件下做了水的吸收，如圖3所示。由圖3可知，在3300cm-1附近是水的羥基伸縮振動，1640cm-1是水的變角振動。因此，這種與理論的相悖是由于水的吸收造成的。但是不考慮水的話，單從峰位處的強度也能區分出正常和癌癥病人，因為各自的吸收強度有明顯的差別，并呈一定的規律。

2.3 由于不同峰之間的強度比值可以為我們提供分子內部結構的信息，并代表不同的生物意義，如表3所示。為了進一步的比較正常血清和癌癥血清紅外吸收的差異，從而從分子內部分析其變化。所測的對應的不同癌癥血清及正常血清的比值如表4所示。

由表3、表4可以看出最明顯的是癌癥血清中蛋白質的酰胺Ⅱ的振動比核酸內磷酸二脂鍵的對稱振動強的多，約是它的七倍多，而在正常血清中，只是它的2.6倍左右；其次是癌癥血清中核酸內磷酸二脂鍵的反對稱伸縮振動明顯強于對稱伸縮振動，在正常血清中差別不大，說明癌癥血清內核酸結構發生了變化；再次，癌癥血清內蛋白、核酸和脂的相對含量也發生了明顯的變化；最后CH3的變角振動、蛋白質的二級結構也發生了明顯的變化。通過這些變化，我們可以從血液中分子結構的細微變化來初步診斷是否患了癌癥。

3 結論

通過對各種癌癥及正常人的血清紅外光譜、各個峰位處紅外吸收強度及其不同峰位強度的比值進行分析，發現癌癥病人和正常人有明顯的差別，即癌癥血清內核酸中的磷酸二酯鍵的反對稱和對稱振動減弱、蛋白質中幾個帶有羥基的氨基酸(蘇氨酸、亮氨酸和酪氨酸)的C—O伸縮振動峰也減弱、CH3和CH2的變角振動也減弱、脂羰基的伸縮振動峰也減弱、蛋白質的酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶振動減弱，而CH3、CH2的對稱和反對稱伸縮振動卻增強；并且核酸的結構、蛋白質的二級結構也發生了變化，血清內蛋白、核酸及脂的相對含量也發生了很大的變化。雖然血清內主要成分是水，而且水的吸收對血清影響很大，但是沒有影響判斷結果，而且區分度很大。因此，在不考慮水的影響下，可以通過對血清進行紅外測試，來初步診斷是否患了癌癥。

[1]Naoko Fujioka, Yuji Morimoto, Tsunenori Arai, et al. The contribution of postmenopausal hormone use cessation to the declining incidence of breast cancer [J].Cancer Detection and Prevention, 2004,28: 32.

[2]Ratana Sindhuphak, Somchai Issaranich, Venus Udomprasertgul, et al.Elevated serum epidermal growth factor receptor level is correlated with lymph node metastasis in lung cancer[J]Gynecologic Oncology, 2003, 90: 10.

[3]李慶波,楊麗敏,凌曉鋒,等.SIMCA法在中紅外癌癥檢測技術中的應用[J].光譜學與光譜分析, 2004, 24(4): 414.

[4]霍紅,胡祥,關宏偉,等.人體乳腺癌組織紅外光譜特征的研究[J].高等學校化學報,2000, 21(8): 1244.

[5 Peter R Griffiths,楊虎生,李慶波,等.紅外光譜法和主成分分析法用于胃組織癌變的檢測(英文)[J].光譜學與光譜分析,2004, 24(9): 1025.

[6]彭卿,徐怡莊,李維紅,等. 胃腸道正常組織與相應腫瘤組織結構的FTIR光譜研究[J]光譜學與光譜分析, 1998, 18(5): 528.

[7]Wong PTT, Papavassiliou E D, Rigas B.The partial characterization and clinical evaluation of pancreas cancerassociated antigen from the ascites fluid of a patient with pancreatic cancer[J]. Appl.Spectrosc., 1991,45(9): 1563.

[8]Wong PTT, Lacleel S, Yazdi I M.The quality of mass screening for breast cancer by physical examination [J]. Appl.Spectrosc.,1993,47(11): 1830.

[9]Wu J G, Xu Y Z, Xun C W et al.Investigating the heterogeneity of cell growth in microbial colonies by FTIR microspectroscopy[J].Biopolymers, 2001,62: 185.

[10]孫傳文,徐怡莊,吳瑾光等.中紅外光纖技術用于腮腺腫瘤診斷的研究[J].光譜學與光譜 分析,1996,16(5): 22.

[11]凌曉峰,李維紅,吳瑾光等.胃癌組織的拉曼光譜初探[J].光譜學與光譜分析,2000,20(5): 692.

[12]李維紅,徐怡莊,吳瑾光等.腫瘤和正常組織的FT-Raman與FT-IR研究[J].光散射學報, 1998,10:3.

[13]彭卿,徐怡莊,吳瑾光等.胃腸道正常組織與相應腫瘤組織結構的FTIR光譜研究[J].光譜學與光譜分析, 1998,18(5):528.

[14]霍紅,王幸福,車訊等.女性乳腺腫瘤的傅里葉變換紅外光譜鑒別方法的探索[J].分析化學,2001,29(1):63.

[15]WONG P T,CADRIN M,FRENCH S W.Distinctive Infrared Spectral Features in Liver Tumor Tissues of Mice:Evidence if Structural Modifications at Molecular Level[J]. Exp MolPathol,1991,55:269-284.

[16]劉金緒,彭英科,韓偉,等.關于胃、食道、腸、乳腺、宮頸等組織癌變細胞紅外光譜測定方法的研究[J].現代科學儀器, 2001,(3):46-47.

[17]童義平,林燕文.胃癌組織與正常組織樣品FTIR研究[J].光譜學與光譜分析, 2001,21(3):324-327.

[18]霍紅,胡祥,關宏偉,等人體乳腺癌組織紅外光譜特征的研究[J].高等學校化學學報,2001,21(8):1244~1247.