光譜學(xué)技術(shù)在心血管疾病應(yīng)用的研究進展

【摘要】心血管疾病對人類健康造成極大挑戰(zhàn)。目前存在多種檢查手段用于診斷評估冠心病、心力衰竭、心律失常等多種心血管疾病。然而隨著精準(zhǔn)醫(yī)療概念的提出，現(xiàn)有的心血管疾病診療技術(shù)仍有待進一步提升。近年來光譜學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，逐漸可實現(xiàn)經(jīng)體表無創(chuàng)提取心血管疾病患者圖像特征，實現(xiàn)個體化、精準(zhǔn)、快速診斷及評估。現(xiàn)從磁共振波譜成像、拉曼光譜、高光譜成像三個光譜學(xué)技術(shù)的原理，以及在心血管疾病中臨床應(yīng)用的優(yōu)勢和目前存在的限制展開介紹。

【關(guān)鍵詞】心血管疾病；光譜學(xué)；磁共振光譜；拉曼光譜；高光譜

【DOI】10.16806/j.cnki.issn.1004-3934.2025.01.008Application of Spectroscopy Technology in Cardiovascular DiseasesLI Zeyan，JIANG Hong，YU Lilei

（Cardiovascular Hospital，Renmin Hospital of Wuhan University，Hubei Provincial Key Laboratory of Autonomic Nervous Regulation，Wuhan University Cardiac Autonomic Nerve Research Center，Hubei Provincial Key Laboratory of Cardiovascular Disease，Wuhan 430060，Hubei，China）【Abstract】Cardiovascular diseases pose a significant challenge to human health.Currently，various diagnostic methods are employed to evaluate coronary artery disease，heart failure，arrhythmias，and other cardiovascular diseases.However，with the advent of precision medicine，existing cardiovascular diagnostic and therapeutic technologies require further advancement.In recent years，spectroscopy technology has progressed，allowing for the non-invasive extraction of image features from cardiovascular disease patients via body surface imaging.This advancement enables individualized，precise，and rapid diagnosis and assessment.This paper will introduce the principles of magnetic resonance spectroscopy，Raman spectroscopy，and hyperspectral imaging，as well as the advantages and current limitations of clinical application in cardiovascular diseases.

【Keywords】Cardiovascular disease； Spectroscopy； Magnetic resonance spectroscopy； Raman spectroscopy； Hyperspectral imaging

最早記錄到對光譜的研究在1666年，由著名Isaac Newton爵士觀察到太陽可見光譜。光譜學(xué)是利用物質(zhì)發(fā)射、吸收或散射的光、聲或粒子的現(xiàn)象，來研究物質(zhì)或能量的方法，又稱為譜學(xué)。根據(jù)研究對象不同而有不同名稱，如能譜學(xué)、波譜學(xué)、頻譜學(xué)、質(zhì)譜學(xué)、介電譜學(xué)等。光譜學(xué)原始定義為研究光和物質(zhì)之間相互作用的學(xué)科。早期的光譜學(xué)是指用“可見光”對物質(zhì)結(jié)構(gòu)進行理論研究，進而對物質(zhì)定性定量分析的科學(xué)分支。但近年來光譜學(xué)的定義已被擴展為：一種使用多種電磁或非電磁輻射（如微波、無線電波、X射線、電子、聲子等）的新技術(shù)。光譜數(shù)據(jù)通常以譜圖形式表示，即目標(biāo)物質(zhì)響應(yīng)與波長或頻率之間的關(guān)系圖，多用于物理、分析化學(xué)、天文學(xué)、遙感等領(lǐng)域。近年來一些特殊的光譜學(xué)技術(shù)，包括磁共振光譜、拉曼光譜、高光譜逐漸運用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，實現(xiàn)了體表無創(chuàng)診斷評估多種器官的生理及病理狀態(tài)。這些技術(shù)同樣在心血管疾病中展現(xiàn)了優(yōu)異的臨床應(yīng)用前景。

1磁共振波譜成像與心血管疾病

磁共振波譜成像（magnetic resonance spectroscopy，MRS）和磁共振成像通過包含奇數(shù)質(zhì)子和中子的核素產(chǎn)生的固有磁矩信號來實現(xiàn)物質(zhì)的檢測分析。其中質(zhì)子（1H）是最常用的核素，因為它們具有較高的固有靈敏度，并且廣泛分布于人體。其他的核素包括磷（31P）、碳（13C）和氟（19F），這些核素在體內(nèi)多種營養(yǎng)物質(zhì)中具有較高的豐度，因此可通過檢測這些核素的分布及豐度情況判斷不同器官的代謝狀態(tài)。同時MRS技術(shù)可在體外檢測特定核素的含量，從而可實現(xiàn)無創(chuàng)、精準(zhǔn)地判斷體內(nèi)物質(zhì)代謝，因此具有較好的臨床應(yīng)用前景。近年來通過心臟MRS技術(shù)可實現(xiàn)檢測和量化體內(nèi)心肌代謝，判別心臟健康和病理狀況。心臟MRS技術(shù)同樣可通過對特定核素的共振頻率進行識別和編碼，從而實現(xiàn)檢測心肌細胞單個代謝物的水平。因此，MRS技術(shù)對判斷心臟生理及病理的代謝狀態(tài)具有重要臨床意義［1］。

近年來一些研究發(fā)現(xiàn)心臟MRS技術(shù)可通過檢測不同類型的核素來判斷心臟代謝狀態(tài)，從而識別心臟病理狀態(tài)。在31P-MRS中，不同分子內(nèi)的31P在光譜上產(chǎn)生不同的特征峰，從而獲得關(guān)鍵磷代謝產(chǎn)物的相對比值，如磷酸肌酸（phosphocreatine，PCr）和三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）。通過31P-MRS檢測獲得的PCr/ATP比值可作為細胞能量儲存的替代標(biāo)志物，在多種心血管疾病的各個階段PCr/ATP比值均發(fā)生顯著改變：PCr/ATP比值降低提示心肌細胞能量利用率降低，并且與缺血性或非缺血性心肌病、高血壓心臟病的舒張功能障礙、糖尿病心肌病等不良預(yù)后相關(guān)。Samuel等［2］的一項研究發(fā)現(xiàn)，在植入性心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器植入前，通過31P-MRS評估射血分?jǐn)?shù)降低的心力衰竭患者心臟ATP消耗情況，可預(yù)測未來10年隨訪期間的心律失常事件和心源性死亡風(fēng)險。此外，有研究［3］將31P-MRS應(yīng)用于擴張型心肌病（dilated cardiomyopathy，DCM）患者發(fā)現(xiàn)，正常體重的DCM患者在靜息時ATP傳遞效率降低，而在肥胖的DCM患者中，從肌酸激酶來源的ATP含量增加，表明能量利用效率降低，并且通過飲食減輕體重與心肌收縮能力的改善顯著相關(guān)，表明心臟代謝效率得到改善。1H-MRS已成為一種可靠的無創(chuàng)評估心肌細胞甘油三酯水平的技術(shù)。這項技術(shù)可為糖尿病和肥胖等高危患者的心臟不良代謝狀態(tài)提供早期預(yù)警。Bakermans等［4］發(fā)現(xiàn)1H-MRS可實現(xiàn)體外無創(chuàng)評估患者心臟甘油三酯和肌酐的含量，并且與心肌內(nèi)膜活檢結(jié)果具有良好的相關(guān)性。雖然31P-MRS和1H-MRS技術(shù)能為多種心臟疾病的病理代謝狀態(tài)提供有效的評估，然而心肌細胞代謝是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，31P-MRS和1H-MRS技術(shù)受到信噪比的限制，只有少數(shù)代謝分子可用作可靠的標(biāo)志物進行研究，并且通常要求在長時間的采集下處于穩(wěn)定狀態(tài)。最近，人類超極化碳（13C-MRS）技術(shù)被用于追蹤心肌梗死患者的丙酮酸下游代謝物［5］，為生理和病理狀態(tài)的心臟提供不同的代謝評估。

MRS技術(shù)是目前為數(shù)不多的體內(nèi)代謝成像技術(shù)之一，能在體內(nèi)評估心臟能量代謝。盡管MRS技術(shù)在識別心臟疾病的代謝標(biāo)志物具有較好的優(yōu)勢，目前仍存在一些問題待解決，如病理狀態(tài)下的代謝標(biāo)志物分子信號存在重疊，需更好的技術(shù)提升來識別不同標(biāo)志物分子的特征信號。因此，心臟MRS技術(shù)仍需繼續(xù)挖掘探索，從而更好地滿足臨床多種場景的應(yīng)用。

2拉曼光譜與心血管疾病

表面增強拉曼光譜（surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）是一種基于窄而尖拉曼發(fā)射峰的納米級等離子體現(xiàn)象，在粗糙的金屬表面上可發(fā)出顯著增強的信號，具有優(yōu)異的檢測靈敏度［6］。SERS技術(shù)的傳感方法包括直接法或間接法。直接法依賴于原始分子特征光譜信息的采集，同時對一個樣品中的多個目標(biāo)分子進行SERS分析，無需預(yù)處理和標(biāo)記。然而，直接法得到的光譜信息易受到復(fù)雜介質(zhì)中目標(biāo)生物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和取向等因素影響，從而導(dǎo)致在包含豐富復(fù)雜的光譜信號中對目標(biāo)分子進行特征識別及篩選具有挑戰(zhàn)性。而間接法需額外的靶向修飾底物進行輔助，通過抗原-抗體反應(yīng)實現(xiàn)目標(biāo)分子的精準(zhǔn)結(jié)合，進而檢測特征拉曼光譜信號，實現(xiàn)對觀察介質(zhì)中目標(biāo)生物分子的檢測及評估［6］。SERS技術(shù)可用于表征各種分子結(jié)構(gòu)和相互作用，具有靈敏度高、檢測速度快等特點［7］。因此，SERS技術(shù)可檢測體液中多種生物標(biāo)志物，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地評估診斷多種臨床疾病，是一種具有廣闊臨床應(yīng)用前景的技術(shù)。

近年來SERS技術(shù)逐漸用于檢測體液中心血管疾病相關(guān)生物標(biāo)志物。在直接法方面，Alves等［8］使用Fe3O4@SiO2@Ag納米顆粒作為檢測探針與心肌肌鈣蛋白I（cardiac troponin I，cTnI）進行結(jié)合，可在10 s內(nèi)檢測到納米顆粒的特征拉曼光譜信號，并且檢測濃度＜10 ng/mL。在間接法方面，Lee等［9］在三維曲面上構(gòu)建金納米反應(yīng)器陣列（3D-HPNRA），該陣列可用于超靈敏免疫分析。3D-HPNRA在三維空間內(nèi)可產(chǎn)生顯著的等離子體耦合效應(yīng)，與包裹有檢測抗體的探針金納米顆粒（AuNP探針）形成包合物。由于三維空間內(nèi)存在多重等離子體耦合效應(yīng)，因此通過加入cTnI特異性抗體進行修飾，將其功能化后可用作檢測cTnI的超靈敏SERS技術(shù)工作平臺。與傳統(tǒng)酶聯(lián)免疫吸附分析技術(shù)相比，與AuNP探針結(jié)合的3D-HPNRA對磷酸鹽緩沖溶液和胎牛血清中的cTnI的檢測靈敏度提高了約400倍，分別為22.9和27.8 fg/mL。以上提到的SERS技術(shù)主要通過直接法或間接法實現(xiàn)對單一的心血管疾病標(biāo)志物進行檢測分析，然而心血管疾病相關(guān)標(biāo)志物種類較多，單一指標(biāo)的檢測不能較好地滿足臨床實際應(yīng)用的需求，因此，基于SERS技術(shù)實現(xiàn)多指標(biāo)的檢測是該技術(shù)的進一步探索方向。利用SERS技術(shù)結(jié)合機器學(xué)習(xí)（machine learning，ML）方法表征復(fù)雜介質(zhì)內(nèi)多種目標(biāo)分子，已被提出作為臨床多種疾病即時檢測的強大工具。Dixon等［10］結(jié)合ML和基于銀離子納米顆粒的SERS技術(shù)實現(xiàn)對模擬臨床樣本內(nèi)5種心血管疾病標(biāo)志物（cTnI、腦鈉肽、C反應(yīng)蛋白、血清肌酐和低密度脂蛋白）的濃度檢測。在這項研究中，一個無標(biāo)簽的基于銀納米粒子的SERS技術(shù)與2種ML方法相結(jié)合，從300個獨特樣品中獲得特征拉曼光譜，并將其分為生理和病理兩類，最終實現(xiàn)在532 nm處正確分類病理樣本，準(zhǔn)確率為90.0%。

綜上所述，近年來基于SERS技術(shù)的心血管疾病標(biāo)志物檢測研究主要集中在靈敏性、選擇性、準(zhǔn)確性等方面，針對多種生物標(biāo)志物的同時多重檢測也受到了關(guān)注。然而這些研究多處于初期階段，需進一步探索使SERS技術(shù)更適用于臨床實踐。

3高光譜成像與心血管疾病

高光譜成像（hyperspectral imaging，HSI）技術(shù)可獲取光譜信息超過30個通道，捕獲被檢測物體的復(fù)雜的光譜信息。HSI技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)由測量物體得到的二維結(jié)構(gòu)和一維光譜信息構(gòu)成三維數(shù)據(jù)集，稱為“超立方體”。相比于傳統(tǒng)的彩色成像技術(shù)，超立方體數(shù)據(jù)集可區(qū)分或分類樣本的類型，從而實現(xiàn)高精度判別不同樣本。因此，HSI技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括遙感、食品檢驗、法醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等。HSI技術(shù)成像方法主要分為3種：光譜掃描、空間掃描和快照方法。每種成像方法具有不同的空間分辨率、光譜分辨率以及成像速度，光譜掃描和空間掃描屬于掃描式HSI技術(shù)，可得到空間分辨率及光譜分辨率較高的三維數(shù)據(jù)集，但掃描成像所需時間較長，而快照方法屬于非掃描式HSI技術(shù)，可在較短時間內(nèi)同時獲取被檢測物體的空間信息及光譜信息，因此，需根據(jù)不同的檢測目標(biāo)和成像條件選擇最適合的成像方法。近來快照方法逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，同時與快照技術(shù)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理方法不斷發(fā)展，保持成像速度的同時，改善空間和光譜分辨率。近年來HSI技術(shù)逐漸應(yīng)用于臨床工作中，在疾病診斷、體外組織成像、患者活體成像等方面展現(xiàn)較好的應(yīng)用前景。

既往有研究表明通過HSI技術(shù)可有效無創(chuàng)地評估患者皮膚中的氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白濃度，從而評估患者的微循環(huán)狀態(tài)。Sumpio等［11］通過HSI技術(shù)評估外周動脈疾病患者外周微循環(huán)狀態(tài)，納入93例受試者（46例健康受試者和47例外周動脈疾病患者），通過HSI技術(shù)采集受試者雙上臂、前臂和手掌的圖像，發(fā)現(xiàn)與外周動脈疾病患者相比，在袖帶加壓狀態(tài)下，健康受試者上臂氧合血紅蛋白絕對變化值有顯著差異。該研究表明，HSI技術(shù)能根據(jù)遠離病變血管部位的血管功能障礙來對外周動脈疾病進行診斷評估，提示可對動脈疾病患者進行早期篩查和跟蹤。此外，HSI技術(shù)可輔助監(jiān)測圍手術(shù)期組織氧合情況和含水量等血流動力學(xué)改變，可視化血流動力學(xué)治療和手術(shù)創(chuàng)傷帶來的影響。Dietrich等［12］應(yīng)用醫(yī)用HSI系統(tǒng)（TIVITA Tissue System）對25例擬行胰腺手術(shù)的患者進行雙手掌、手指圖像采集，并且通過序貫器官衰竭評估（sequential organ failure assessment，SOFA）評分對患者圍手術(shù)期的外周循環(huán)狀態(tài)進行評估，發(fā)現(xiàn)HSI技術(shù)可用于觀察胰腺手術(shù)患者皮膚氧合參數(shù)和組織含水量的變化，該研究提示HSI技術(shù)可通過可視化組織含水量為圍手術(shù)期液體治療提供新的輔助監(jiān)測手段，然而，與術(shù)后器官功能障礙以及并發(fā)癥發(fā)生的聯(lián)系仍需進一步研究。然而，目前HSI技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用仍依賴于價格昂貴的HSI相機，因此，需進一步改進現(xiàn)有HSI技術(shù)以實現(xiàn)更好的臨床推廣應(yīng)用。He等［13］提出了一種新的方法和系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的智能手機實現(xiàn)HSI，用以分析皮膚形態(tài)特征和監(jiān)測血流動力學(xué)。他們通過Wiener法將獲得的RGB模式圖像轉(zhuǎn)換為具有16個波段的高光譜圖像，覆蓋了470～620 nm的可見光范圍，并且在皮膚上進行實時監(jiān)測試驗，發(fā)現(xiàn)可有效測量心率并觀察皮膚血流動力學(xué)改變。該研究表明，與昂貴的HSI系統(tǒng)相比，基于智能手機的HSI系統(tǒng)提供了類似的結(jié)果，同時具有非常高的成像分辨率，此外，它操作簡單，成本效益高，擁有更廣泛的應(yīng)用場景。因此，使用基于智能手機的HSI系統(tǒng)進行HSI，有望將高光譜分析進行臨床推廣應(yīng)用。

盡管HSI技術(shù)已通過系列臨床研究顯示出其應(yīng)用潛力，但HSI在臨床實踐中仍存在一些難點。首先，需對HSI光學(xué)系統(tǒng)進行優(yōu)化。目前，HSI可實現(xiàn)在不同的光譜區(qū)域進行圖像采集，從紫外光譜到近紅外光譜，從而導(dǎo)致在疾病診斷中利用不同的光譜窗口，顯示不同精度的結(jié)果。此外，實驗條件和參數(shù)也會影響結(jié)果。因此，需對HSI成像系統(tǒng)和實驗參數(shù)的優(yōu)化進行研究，以明確獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)所需的條件。其次，缺乏評估不同HSI系統(tǒng)的方法和技術(shù)。通過解決上述難點，HSI技術(shù)將成為臨床疾病診斷和風(fēng)險評估的有效工具。

4展望

上述光譜學(xué)技術(shù)在心血管疾病診斷及風(fēng)險評估方面發(fā)揮重要作用，可實現(xiàn)心臟能量代謝狀態(tài)的判斷、心血管疾病標(biāo)志物快速靈敏檢測以及無創(chuàng)體表血流動力學(xué)檢測，提示光譜學(xué)技術(shù)在心血管疾病領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前的光譜學(xué)技術(shù)仍舊依賴價格昂貴的光學(xué)器件，數(shù)據(jù)分析依賴專業(yè)分析方法以及需進一步探索各種光譜成像技術(shù)的最佳工作條件。因此，針對光譜學(xué)技術(shù)在心血管乃至整個生命科學(xué)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用仍需多領(lǐng)域的科學(xué)家協(xié)同合作，最終實現(xiàn)這項技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域安全廣泛的應(yīng)用。

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收稿日期：2024-07-26