光谱技术在恶性肿瘤诊断中的应用研究现状

李 昕，金锡哲*

（1.大连大学 附属中山医院肿瘤科，辽宁 大连 116001；2. 大连大学 物理科学与技术学院，辽宁 大连 116622）

光谱技术在恶性肿瘤诊断中的应用研究现状

李 昕1，金锡哲2*

（1.大连大学 附属中山医院肿瘤科，辽宁 大连 116001；2. 大连大学 物理科学与技术学院，辽宁 大连 116622）

本文主要介绍荧光光谱技术、拉曼光谱技术、红外光谱技术和光声光谱技术在肿瘤诊断方面的应用。光谱技术为恶性肿瘤的诊断增添了新的活力，它在一定程度上起到筛查的作用，有助于更客观更简便地确诊癌症，应用前景广阔。

光谱；恶性肿瘤；诊断

癌症严重威胁人类健康和生命安全，癌症研究在医学事业发展中一直占有重要地位，预计近10年全球肿瘤的发生率将会加倍[1]。目前肿瘤诊断的金标准是进行病理解剖及组织细胞学诊断。但是非量化的病理学诊断存在操作过程繁琐、受人为因素影响等弊端。当今恶性肿瘤的光谱诊断研究已成为光学和生物学等多学科交叉的重要课题和研究热点之一，光谱诊断（Spectrum Diagnosis）技术的使用为恶性肿瘤的诊断增添了新的活力。近来研究较多的应用于恶性肿瘤诊断的光谱技术主要有荧光光谱技术、拉曼光谱技术、红外光谱技术和光声光谱技术。

1 荧光光谱技术

在人体病变组织中加入选择性滞留的外加光敏物质，用激光能够激发该物质产生特征荧光光谱，这种诊断疾病的方法就是外加光敏物质方法；而不外加光敏物质，人体组织直接由激光激发而产生的荧光能反映人体组织特征，通常被称为组织固有的自体荧光。

1.1 外加光敏物质方法

在临床研究中，最通用的光敏剂是“血卟啉衍生物”（Hematoporphyrin Derivative，HPD），既可用于诊断，又可用于治疗肿瘤。其主要原理是将HPD注人体内，经血液循环，由于HPD对肿瘤细胞组织有较高亲和力，潴留时间较长，利用潴留细胞组织中的HPD，用一定波长光激发HPD可发出荧光。而HPD在红光范围内呈现双峰荧光结构（位于630 nm和690 nm），所以可利用其识别肿瘤。另外，利用一定的判据函数，并且测算出人体组织中各个不同位置的具体判据函数，就能够为癌症划界，为对其的治疗提供依据。

在临床研究中，由于注入体内的光敏药物，经代谢排出体外需较长时间（至少要3～4周），病人需较长时间避光，否则会产生光毒症，这给推广应用带来了困难。

1.2 自体荧光光谱方法

不给患者注入任何光敏药物，利用肿瘤固有荧光（Autofluorescence）直接检测肿瘤本身发光以诊断癌症，是一种快速无损伤定位早期癌症的新方法。

1985年以来连少辉等从生化分析入手，从事存在于人体内的卟啉和肿瘤组织抽提物的研究，分析肿瘤固有荧光的发光机理，观察到卟啉在肿瘤中的存在。他们用模拟实验方法，观察到在波长为337 nm，365 nm和405 nm的激光作用下，原卟啉Ⅸ与蛋白质结合物所发出的荧光，与临床诊断所选择的癌细胞固有荧光特征峰基本相同，而单独的原卟啉Ⅸ所发出的荧光则不完全相同[2]，从而用实验验证的方法阐明了肿瘤受激发出荧光的问题。也就是说，肿瘤所发荧光与其内源性卟啉发光有关，但并非卟啉单一发光，可能是肿瘤细胞组织中的发光物质与其内源性卟啉之间的敏化荧光。该发光物质也有可能是肿瘤特异发光物质。杨元龙等也得出类似结论。另有研究表明，癌症患者卟啉代谢异常，其体内具有特征荧光光谱的原卟啉Ⅸ可以作为癌症的分子标志物[3]。

R Alfano等在1990年公布了一项专利，即用自体荧光来诊断乳腺癌、宫颈癌、卵巢癌和子宫癌。使用波长为300 nm的紫外光照射疑似病变组织，获得了谱峰位于340 nm处的荧光发射光谱。将波长为340 nm与440 nm两处的荧光强度计算出比率，发现肿瘤组织明显区别于良性瘤或正常组织，这成为诊断妇科瘤的一种新方法。

连少辉等[4]于1995年用337 nm激光通过光纤探头来激发宫颈癌组织，获得了它的荧光谱。在癌组织的荧光谱上，波长420 nm和630 nm附近出现两个特异的荧光峰。在波长470 nm处，正常组织和癌组织都有荧光峰，不过癌组织荧光峰的强度明显低于正常组织。有人曾把420 nm和630 nm附近的荧光峰作为区别癌组织和正常组织的特征峰，已获得了成功，具有较高的符合率。

林三仁等[5]对1191例多种胃内疾病患者的血清荧光光谱进行检测，激发光波长为200 nm，发现其中胃癌患者的血清于400～460 nm处显现出相对荧光强度增强。孟继武等[3]研究也表明癌症患者与健康人的血清自体荧光光谱不同，血清荧光法可用于恶性肿瘤的临床筛查。林三仁等认为血液易受人体各种生理病理变化的影响，而胃液成分相对简单、更能直接反映胃癌组织生长、分泌和代谢的状况。随后又针对胃液进行了相关研究，认为胃液固有荧光光谱检测可在血清固有荧光光谱检测基础上获更高诊断率，并对检测条件进行了优化。孟灵梅等[6]也对检测条件进行了优化，认为以蒸馏水稀释120倍、磷酸盐稀释溶液pH=11时，可取得较好的胃部良、恶性病变患者的稀释胃液固有荧光光谱检测结果。

曹建彪等[7]研究用激光诱发自体荧光（Laser-induced Fluorescence, LIF）诊断大肠癌的光谱诊断标准。通过检测58例大肠癌及对照标本，得到了大肠癌与非癌对照组织的对照，其荧光光谱都表现为两个峰，此两峰波长以及峰强度均有差异。以被测标本的主、次峰以及波谷峰强度为判别标准区分癌与非癌，癌标本中主峰峰强度＜5500 u，次峰峰强度＜2000 u，波谷强度＜1800 u；而相应的对照组织中主峰峰强度＞11000 u，次峰峰强度＞4000 u，波谷强度＞3800 u。由此可见，用该标准LIF对大肠癌进行诊断，敏感度可达91.4%，特异度为100%，符合率高达95.7%，约登指数为0.91%，这些指标正表明了用该标准诊断大肠癌的有效性和可行性。

2 拉曼光谱技术

拉曼光谱技术通过用单色光对生物组织样品进行照射并采集其拉曼散射光，对与分子振动态跃迁相关的拉曼频移进行分析，可以无损地获取生物组织样品的细节信息，如分子成分、分子结构及分子间相互作用等。这些信息高度相关于病理学组织分类，对于组织病理学的分类帮助很大，因而有可能能够对有关组织样品化学组分变化进行探测、识别和诊断，是理想的疾病分析方法。拉曼散射中光子与靶物质相互作用产生样本的一个详细的生化“指纹”，具有所含成分化学键的特征性，因此与正常样本相比能够早期发现与癌症有关的生化改变，拉曼光谱技术采用激光作为激发光源，具有非接触、所需样品量很少、分析时间短、样品无需特殊的预处理即能够获取样品拉曼指纹图谱等特点。该项技术的进一步发展将有可能用于组织病理学中的活体研究，为原位在体分析生物组织样品提供技术手段。

近来很多学者进行了以临床应用为目的的相关研究工作。Lau等[8]对47例喉癌标本用拉曼光谱进行检测。他们分析了3类样本（正常、乳头状瘤和癌），结果显示灵敏度为69%～89%，特异性为86%～94%。3种组织类型的光谱差异出现在DNA、氨基酸、胶原蛋白和糖脂上。Lau等[9]使用拉曼光谱区分后鼻腔肿瘤和非肿瘤组织，提出在鼻咽部使用拉曼光谱技术的重要性，能够检测该区域的粘膜下肿瘤，削弱了随机活检的必要性。

Harris AT等[10]对用拉曼光谱技术检测外周血样本进行癌症诊断的可行性进行了评估，即通过外周血样本的拉曼光谱来对固体恶性肿瘤进行初步筛查，获得阳性结果后再进一步检查。他们共检测了40例患者，其中20例头颈部肿瘤，20例年龄匹配的呼吸系统疾病患者作为对照。使用训练进化算法分析，得到75%的灵敏度和75%的特异性。当使用混合样品训练算法时，显示预期的50%的灵敏度和特异性，为遗传算法用于区分癌症样本和非癌样本进一步提供了证据。这种方案还有待进一步实验研究和验证，若这一技术成功应用于临床，将使肿瘤诊断技术产生革命性的变化。

拉曼光谱技术与其他光学方法相比具有潜在优势，是因为它能够提供一个生化“指纹”。但拉曼光谱存在信号弱和易受荧光影响的问题。自体荧光是波长依赖性的，近红外波段的光对拉曼光谱信号产生不利的影响，而使用较短波长的激光可在一定程度上克服信号弱的缺点，并可在相对短的时间内采集光谱从而减少荧光的影响。另外，拉曼光谱产生非常详细的分子轮廓，这也会给结果分析带来困难，这样的精确度使人们难以明确光谱差异的原因，需要应用更为复杂的数据分类模型以使其潜力得到充分发挥。

3 红外光谱技术

细胞的红外光谱由核酸、蛋白质、双层磷脂膜等大分子的振动光谱组成。因此测定完整组织细胞的红外光谱即可获取组织细胞组成及其生物大分子结构的信息，用来对组织的类型和组织病变的良、恶性质进行鉴别，进而可从分子的角度来探讨细胞癌变机理，使将来能够在分子水平上诊断癌症成为了可能。

Xie C等[11,12]利用近红外光谱和傅立叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectrometry，FTIR）进行结肠癌及胃组织恶性肿瘤的研究。姚宏伟等[13]采用傅里叶变换红外光谱仪联合使用衰减全反射探头（Attenuated Total Reflection，ATR）扫描手术切除的大肠良性标本10例和恶性肿瘤标本18例，分析其红外光谱的谱图特征，并作相应的病理学诊断分析，测量各个谱带的峰位、峰高，计算谱带间的相对强度。结果显示与良性肿瘤相比，癌组织与脂类相关的谱带2925 cm-1峰强比I2925/I1460明显降低(p=0.018)，谱带1740 cm-1峰强比I1740/I1460也明显降低(p=0.009)，表明脂类相对含量降低；与蛋白质有关的谱带3275cm-1和1550cm-1的峰强比I3275/I1460(p=0.012)，和I1550/I1460（p=0.041)均显著升高，表明蛋白质含量相对升高，而与核酸有关的谱带1080 cm-1的峰强比I1080/I1460较良性腺瘤明显升高，表明核酸相对于脂类含量明显升高。这为傅里叶变换红外光谱应用于临床鉴别大肠良、恶性肿瘤提供了可供参考的指标。

4 光声光谱技术

光声信号的产生和检测过程是一个光、热、声、电的能量转移过程，基于此，光声光谱能够反映物质内部结构及成分含量的情况[14]。光声光谱技术与传统光谱技术的主要区别在于，不是直接对入射到物质中并出射的光子进行检测，而是对光束在与物质相互作用过程中被物质所吸收的能量进行测量[15]。

郭萍等[16]利用光声光谱技术检测和分析了急粒、急单、慢性急变这三种类型白血病患者和正常人的全血，发现通过不同类型的样品所得到的光声光谱图在360 nm、420 nm、550 nm和580 nm波长附近的特征峰型以及吸收强度表现出显著差异。不同类型白血病患者全血的光声光谱显著区别于正常人的，而且表现出很明显的相互之间的差异。研究结果表明，患者的全血的光声光谱图可作为临床诊断白血病的依据。

唐志列等[17]用双光束归一化光声光谱技术测量三株人鼻咽癌细胞(SUNE-l，CNE-1，CNE-2)的归一化吸收光谱和光谱吸收系数，发现在波长4000～6000Å范周内，这三株人鼻咽癌细胞的光谱吸收系数大小SUNE-l＞CNE-2＞CNE-1；在波长4200Å处平均相对光声信号值为SUNE-l：1.36；CNE-2：1.20；CNE-1：1.10，三者之间具有显著的差异性。冯永振和何玉琴[18]采用单光束光声光谱技术测量SUNE-l和CNE-1细胞株的归一化光声光谱，发现在波长420 nm附近光声光谱都存在吸收峰，在波长380～700 nm内，SUNE-l的光谱吸收强度大于CNE-1，结果显示SUNE-1和CNE-1的光生物学特性存在显著差异。随后他们又对CNE-1和CNE-2的光声光谱进行研究[19]，发现在波长为380～700nm范围内，这两株人鼻咽癌细胞的光声光谱吸收特性存在着显著差异，它们的光谱吸收强度大小CNE-2＞CNE-1，研究结果表明利用光声光谱技术能够区分不同的人鼻咽癌细胞株的光谱差异性。

5 结语

光谱诊断是利用肿瘤组织和正常组织的光谱特征的差异性进行诊断，更为客观、简便，在一定程度上起到筛查的作用，若配合内窥镜的使用，能够减少病理学检查的必要性，减轻患者的痛苦，并减少因手术或活检引发的转移。光谱诊断虽然还不能完全取代病理学诊断，但它有助于更好更快地确诊癌症，其技术上的优势是不可忽略的。

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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

辽宁省教育厅高校科研计划项目（2008S008）。

李昕（1984-），女，硕士研究生，研究方向：鼻咽癌的诊断和治疗。

金锡哲（1964-），男，博士，教授，研究方向：光电检测技术。