光譜技術在惡性腫瘤診斷中的應用研究現狀

李 昕，金錫哲*

（1.大連大學 附屬中山醫院腫瘤科，遼寧 大連 116001；2. 大連大學 物理科學與技術學院，遼寧 大連 116622）

光譜技術在惡性腫瘤診斷中的應用研究現狀

李 昕1，金錫哲2*

（1.大連大學 附屬中山醫院腫瘤科，遼寧 大連 116001；2. 大連大學 物理科學與技術學院，遼寧 大連 116622）

本文主要介紹熒光光譜技術、拉曼光譜技術、紅外光譜技術和光聲光譜技術在腫瘤診斷方面的應用。光譜技術為惡性腫瘤的診斷增添了新的活力，它在一定程度上起到篩查的作用，有助于更客觀更簡便地確診癌癥，應用前景廣闊。

光譜；惡性腫瘤；診斷

癌癥嚴重威脅人類健康和生命安全，癌癥研究在醫學事業發展中一直占有重要地位，預計近10年全球腫瘤的發生率將會加倍[1]。目前腫瘤診斷的金標準是進行病理解剖及組織細胞學診斷。但是非量化的病理學診斷存在操作過程繁瑣、受人為因素影響等弊端。當今惡性腫瘤的光譜診斷研究已成為光學和生物學等多學科交叉的重要課題和研究熱點之一，光譜診斷（Spectrum Diagnosis）技術的使用為惡性腫瘤的診斷增添了新的活力。近來研究較多的應用于惡性腫瘤診斷的光譜技術主要有熒光光譜技術、拉曼光譜技術、紅外光譜技術和光聲光譜技術。

1 熒光光譜技術

在人體病變組織中加入選擇性滯留的外加光敏物質，用激光能夠激發該物質產生特征熒光光譜，這種診斷疾病的方法就是外加光敏物質方法；而不外加光敏物質，人體組織直接由激光激發而產生的熒光能反映人體組織特征，通常被稱為組織固有的自體熒光。

1.1 外加光敏物質方法

在臨床研究中，最通用的光敏劑是“血卟啉衍生物”（Hematoporphyrin Derivative，HPD），既可用于診斷，又可用于治療腫瘤。其主要原理是將HPD注人體內，經血液循環，由于HPD對腫瘤細胞組織有較高親和力，潴留時間較長，利用潴留細胞組織中的HPD，用一定波長光激發HPD可發出熒光。而HPD在紅光范圍內呈現雙峰熒光結構（位于630 nm和690 nm），所以可利用其識別腫瘤。另外，利用一定的判據函數，并且測算出人體組織中各個不同位置的具體判據函數，就能夠為癌癥劃界，為對其的治療提供依據。

在臨床研究中，由于注入體內的光敏藥物，經代謝排出體外需較長時間（至少要3～4周），病人需較長時間避光，否則會產生光毒癥，這給推廣應用帶來了困難。

1.2 自體熒光光譜方法

不給患者注入任何光敏藥物，利用腫瘤固有熒光（Autofluorescence）直接檢測腫瘤本身發光以診斷癌癥，是一種快速無損傷定位早期癌癥的新方法。

1985年以來連少輝等從生化分析入手，從事存在于人體內的卟啉和腫瘤組織抽提物的研究，分析腫瘤固有熒光的發光機理，觀察到卟啉在腫瘤中的存在。他們用模擬實驗方法，觀察到在波長為337 nm，365 nm和405 nm的激光作用下，原卟啉Ⅸ與蛋白質結合物所發出的熒光，與臨床診斷所選擇的癌細胞固有熒光特征峰基本相同，而單獨的原卟啉Ⅸ所發出的熒光則不完全相同[2]，從而用實驗驗證的方法闡明了腫瘤受激發出熒光的問題。也就是說，腫瘤所發熒光與其內源性卟啉發光有關，但并非卟啉單一發光，可能是腫瘤細胞組織中的發光物質與其內源性卟啉之間的敏化熒光。該發光物質也有可能是腫瘤特異發光物質。楊元龍等也得出類似結論。另有研究表明，癌癥患者卟啉代謝異常，其體內具有特征熒光光譜的原卟啉Ⅸ可以作為癌癥的分子標志物[3]。

R Alfano等在1990年公布了一項專利，即用自體熒光來診斷乳腺癌、宮頸癌、卵巢癌和子宮癌。使用波長為300 nm的紫外光照射疑似病變組織，獲得了譜峰位于340 nm處的熒光發射光譜。將波長為340 nm與440 nm兩處的熒光強度計算出比率，發現腫瘤組織明顯區別于良性瘤或正常組織，這成為診斷婦科瘤的一種新方法。

連少輝等[4]于1995年用337 nm激光通過光纖探頭來激發宮頸癌組織，獲得了它的熒光譜。在癌組織的熒光譜上，波長420 nm和630 nm附近出現兩個特異的熒光峰。在波長470 nm處，正常組織和癌組織都有熒光峰，不過癌組織熒光峰的強度明顯低于正常組織。有人曾把420 nm和630 nm附近的熒光峰作為區別癌組織和正常組織的特征峰，已獲得了成功，具有較高的符合率。

林三仁等[5]對1191例多種胃內疾病患者的血清熒光光譜進行檢測，激發光波長為200 nm，發現其中胃癌患者的血清于400～460 nm處顯現出相對熒光強度增強。孟繼武等[3]研究也表明癌癥患者與健康人的血清自體熒光光譜不同，血清熒光法可用于惡性腫瘤的臨床篩查。林三仁等認為血液易受人體各種生理病理變化的影響，而胃液成分相對簡單、更能直接反映胃癌組織生長、分泌和代謝的狀況。隨后又針對胃液進行了相關研究，認為胃液固有熒光光譜檢測可在血清固有熒光光譜檢測基礎上獲更高診斷率，并對檢測條件進行了優化。孟靈梅等[6]也對檢測條件進行了優化，認為以蒸餾水稀釋120倍、磷酸鹽稀釋溶液pH=11時，可取得較好的胃部良、惡性病變患者的稀釋胃液固有熒光光譜檢測結果。

曹建彪等[7]研究用激光誘發自體熒光（Laser-induced Fluorescence, LIF）診斷大腸癌的光譜診斷標準。通過檢測58例大腸癌及對照標本，得到了大腸癌與非癌對照組織的對照，其熒光光譜都表現為兩個峰，此兩峰波長以及峰強度均有差異。以被測標本的主、次峰以及波谷峰強度為判別標準區分癌與非癌，癌標本中主峰峰強度＜5500 u，次峰峰強度＜2000 u，波谷強度＜1800 u；而相應的對照組織中主峰峰強度＞11000 u，次峰峰強度＞4000 u，波谷強度＞3800 u。由此可見，用該標準LIF對大腸癌進行診斷，敏感度可達91.4%，特異度為100%，符合率高達95.7%，約登指數為0.91%，這些指標正表明了用該標準診斷大腸癌的有效性和可行性。

2 拉曼光譜技術

拉曼光譜技術通過用單色光對生物組織樣品進行照射并采集其拉曼散射光，對與分子振動態躍遷相關的拉曼頻移進行分析，可以無損地獲取生物組織樣品的細節信息，如分子成分、分子結構及分子間相互作用等。這些信息高度相關于病理學組織分類，對于組織病理學的分類幫助很大，因而有可能能夠對有關組織樣品化學組分變化進行探測、識別和診斷，是理想的疾病分析方法。拉曼散射中光子與靶物質相互作用產生樣本的一個詳細的生化“指紋”，具有所含成分化學鍵的特征性，因此與正常樣本相比能夠早期發現與癌癥有關的生化改變，拉曼光譜技術采用激光作為激發光源，具有非接觸、所需樣品量很少、分析時間短、樣品無需特殊的預處理即能夠獲取樣品拉曼指紋圖譜等特點。該項技術的進一步發展將有可能用于組織病理學中的活體研究，為原位在體分析生物組織樣品提供技術手段。

近來很多學者進行了以臨床應用為目的的相關研究工作。Lau等[8]對47例喉癌標本用拉曼光譜進行檢測。他們分析了3類樣本（正常、乳頭狀瘤和癌），結果顯示靈敏度為69%～89%，特異性為86%～94%。3種組織類型的光譜差異出現在DNA、氨基酸、膠原蛋白和糖脂上。Lau等[9]使用拉曼光譜區分后鼻腔腫瘤和非腫瘤組織，提出在鼻咽部使用拉曼光譜技術的重要性，能夠檢測該區域的粘膜下腫瘤，削弱了隨機活檢的必要性。

Harris AT等[10]對用拉曼光譜技術檢測外周血樣本進行癌癥診斷的可行性進行了評估，即通過外周血樣本的拉曼光譜來對固體惡性腫瘤進行初步篩查，獲得陽性結果后再進一步檢查。他們共檢測了40例患者，其中20例頭頸部腫瘤，20例年齡匹配的呼吸系統疾病患者作為對照。使用訓練進化算法分析，得到75%的靈敏度和75%的特異性。當使用混合樣品訓練算法時，顯示預期的50%的靈敏度和特異性，為遺傳算法用于區分癌癥樣本和非癌樣本進一步提供了證據。這種方案還有待進一步實驗研究和驗證，若這一技術成功應用于臨床，將使腫瘤診斷技術產生革命性的變化。

拉曼光譜技術與其他光學方法相比具有潛在優勢，是因為它能夠提供一個生化“指紋”。但拉曼光譜存在信號弱和易受熒光影響的問題。自體熒光是波長依賴性的，近紅外波段的光對拉曼光譜信號產生不利的影響，而使用較短波長的激光可在一定程度上克服信號弱的缺點，并可在相對短的時間內采集光譜從而減少熒光的影響。另外，拉曼光譜產生非常詳細的分子輪廓，這也會給結果分析帶來困難，這樣的精確度使人們難以明確光譜差異的原因，需要應用更為復雜的數據分類模型以使其潛力得到充分發揮。

3 紅外光譜技術

細胞的紅外光譜由核酸、蛋白質、雙層磷脂膜等大分子的振動光譜組成。因此測定完整組織細胞的紅外光譜即可獲取組織細胞組成及其生物大分子結構的信息，用來對組織的類型和組織病變的良、惡性質進行鑒別，進而可從分子的角度來探討細胞癌變機理，使將來能夠在分子水平上診斷癌癥成為了可能。

Xie C等[11,12]利用近紅外光譜和傅立葉變換紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectrometry，FTIR）進行結腸癌及胃組織惡性腫瘤的研究。姚宏偉等[13]采用傅里葉變換紅外光譜儀聯合使用衰減全反射探頭（Attenuated Total Reflection，ATR）掃描手術切除的大腸良性標本10例和惡性腫瘤標本18例，分析其紅外光譜的譜圖特征，并作相應的病理學診斷分析，測量各個譜帶的峰位、峰高，計算譜帶間的相對強度。結果顯示與良性腫瘤相比，癌組織與脂類相關的譜帶2925 cm-1峰強比I2925/I1460明顯降低(p=0.018)，譜帶1740 cm-1峰強比I1740/I1460也明顯降低(p=0.009)，表明脂類相對含量降低；與蛋白質有關的譜帶3275cm-1和1550cm-1的峰強比I3275/I1460(p=0.012)，和I1550/I1460（p=0.041)均顯著升高，表明蛋白質含量相對升高，而與核酸有關的譜帶1080 cm-1的峰強比I1080/I1460較良性腺瘤明顯升高，表明核酸相對于脂類含量明顯升高。這為傅里葉變換紅外光譜應用于臨床鑒別大腸良、惡性腫瘤提供了可供參考的指標。

4 光聲光譜技術

光聲信號的產生和檢測過程是一個光、熱、聲、電的能量轉移過程，基于此，光聲光譜能夠反映物質內部結構及成分含量的情況[14]。光聲光譜技術與傳統光譜技術的主要區別在于，不是直接對入射到物質中并出射的光子進行檢測，而是對光束在與物質相互作用過程中被物質所吸收的能量進行測量[15]。

郭萍等[16]利用光聲光譜技術檢測和分析了急粒、急單、慢性急變這三種類型白血病患者和正常人的全血，發現通過不同類型的樣品所得到的光聲光譜圖在360 nm、420 nm、550 nm和580 nm波長附近的特征峰型以及吸收強度表現出顯著差異。不同類型白血病患者全血的光聲光譜顯著區別于正常人的，而且表現出很明顯的相互之間的差異。研究結果表明，患者的全血的光聲光譜圖可作為臨床診斷白血病的依據。

唐志列等[17]用雙光束歸一化光聲光譜技術測量三株人鼻咽癌細胞(SUNE-l，CNE-1，CNE-2)的歸一化吸收光譜和光譜吸收系數，發現在波長4000～6000?范周內，這三株人鼻咽癌細胞的光譜吸收系數大小SUNE-l＞CNE-2＞CNE-1；在波長4200?處平均相對光聲信號值為SUNE-l：1.36；CNE-2：1.20；CNE-1：1.10，三者之間具有顯著的差異性。馮永振和何玉琴[18]采用單光束光聲光譜技術測量SUNE-l和CNE-1細胞株的歸一化光聲光譜，發現在波長420 nm附近光聲光譜都存在吸收峰，在波長380～700 nm內，SUNE-l的光譜吸收強度大于CNE-1，結果顯示SUNE-1和CNE-1的光生物學特性存在顯著差異。隨后他們又對CNE-1和CNE-2的光聲光譜進行研究[19]，發現在波長為380～700nm范圍內，這兩株人鼻咽癌細胞的光聲光譜吸收特性存在著顯著差異，它們的光譜吸收強度大小CNE-2＞CNE-1，研究結果表明利用光聲光譜技術能夠區分不同的人鼻咽癌細胞株的光譜差異性。

5 結語

光譜診斷是利用腫瘤組織和正常組織的光譜特征的差異性進行診斷，更為客觀、簡便，在一定程度上起到篩查的作用，若配合內窺鏡的使用，能夠減少病理學檢查的必要性，減輕患者的痛苦，并減少因手術或活檢引發的轉移。光譜診斷雖然還不能完全取代病理學診斷，但它有助于更好更快地確診癌癥，其技術上的優勢是不可忽略的。

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Progress in the Diagnosis of Malignant Tumor for Application Research of Spectrum Technology

LIXin1, JIN Xi-zhe2*

(1. Department of Oncology, Affiliated Zhongshan Hospital of Dalian University, Dalian 116001, China；2. College of Physical Science and Technology, Dalian University, Dalian 116622, China)

This paper mainly introduces the application of fluorescence spectrum, raman spectrum, infrared spectrum and optoacoustic spectrum technology in the diagnosis of cancer. The use of spectroscopic technique adds new vitality to the diagnosis of malignant tumor. Spectroscopic technique play a role in screening to some extent, contributing to a more objective and easier diagnosis of cancer, and broad prospects for application of it.

spectrum; malignant tumor; diagnosis

O433.5

A

1008-2395(2012)03-0006-04

2012-04-10

遼寧省教育廳高校科研計劃項目（2008S008）。

李昕（1984-），女，碩士研究生，研究方向：鼻咽癌的診斷和治療。

金錫哲（1964-），男，博士，教授，研究方向：光電檢測技術。