中红外光谱法在肿瘤辅助诊断中的应用进展

杨洋，罗阳

四川卫生康复职业学院药学系 (四川自贡 643000)

肿瘤是指在致癌因素影响下机体细胞发生基因突变、生长失控，从而形成的新生物[1]。《2020年全球癌症统计报告》[2]显示，2020年全世界约有1 930万新发肿瘤病例，并预测在2040年将新发2 840万肿瘤病例。全球肿瘤死因谱前5位是肺癌、结直肠癌、肝癌、胃癌和乳腺癌。据世界卫生组织统计，肿瘤在许多国家的死因顺位已超心血管疾病等高病死率疾病，其发病率和病死率更是在不断攀升，已成为全球性重大公共卫生问题。现主要采用预防为主的策略来延缓肿瘤的发生进展，其中二级预防是采用早期筛查方法及时确诊，并予以早期治疗，可有效降低患者负担。因此，可靠、安全的筛查方法极为重要。

目前，临床诊断肿瘤的金标准是病理学方法，但往往受经验和主观性所限。中红外光谱法(mid-infrared spectroscopy，MIRS)是通过测定物质在中红外区分子振动的基频吸收，对其进行定性和定量分析的光谱方法，具有操作简便、测试快、样品用量少、环境污染小等特点，已被广泛应用于诸多领域[3-5]。目前，MIRS多是基于生物样品进行肿瘤诊断研究，本研究针对2020年癌症死因谱前几位肿瘤类型，简述MIRS基于生物样品诊断肿瘤的研究进展，为深入研究及临床应用提供参考。

1 肺癌生物样品

孙雷明等[6]测定肺癌及癌旁正常组织的中红外光谱(mid-infrared spectrum，MIR)，发现两类光谱有较大差异，如癌光谱N-H吸收峰向低波数位移、蛋白质酰胺 Ⅱ 带吸收峰和C-OH键伸缩振动吸收峰向高波数位移等。程存归等[7]基于正常肺组织、早期肺癌组织及进展期肺癌组织的MIR进行判别，结果准确率较高。Sun等[8]发现肺癌与正常肺组织MIR有显著差异，采用典型判别法分析1 546 cm-1峰强、1 120 cm-1峰强比以及1 303 cm-1和1 240 cm-1半峰宽，灵敏度可达96.7%。Kaznowska等[9-10]采用主成分分析法分析得出，肺癌患者与非肺癌患者的正常肺组织光谱在蛋白质吸收区有相似处，癌组织与癌症浸润区外正常肺组织的光谱无相似处；后经深入研究发现，癌组织与正常肺组织MIR有差异，不同类型肺癌MIR有差异，中分化与低分化的肺鳞状细胞癌MIR也有差异。Wang等[11]发现，肺癌患者与健康人血清的MIR中A1080/A1170可能有助于鉴别肺癌患者与健康人。Ghosal等[12]发现，肺癌患者与健康人痰液的MIR有差异，基于1 031.7 cm-1和1 409.7 cm-1建立了良好的预测模型，能较好地鉴别肺癌与健康人群，但肺癌高危人群易被误诊为肺癌。Lewis等[13]对比肺癌患者与健康人的痰液MIR发现，在964 cm-1、1 024 cm-1、1 411 cm-1、1 577 cm-1和1 656 cm-1处有显著差异，并采用多变量分析法进行区分，得出MIR具有较高的灵敏度和特异度。可见肺癌生物样品与正常生物样品的中红外光谱具有显著差异，再结合化学计量学分析方法可达到较高的正判率；此外其生物样品多样，如肺组织、血清、痰液等，有望实现无创性检测。

2 结直肠癌生物样品

Dong等[14]基于结直肠癌组织与正常组织MIR进行判别，诊断灵敏度达96.6%，表明MIRS可有效诊断结直肠癌。曹丽亚[15]基于组织切片MIR建立模型，能准确、快速诊断大肠组织是否癌变，可辅助病理诊断。Ollesch等[16]利用光纤探针采集结直肠癌与正常组织的MIR并建模，灵敏度及特异度均高于80%，表明光纤MIRS在临床手术环境中识别肿瘤中具有一定潜力。刘栋等[17]发现直肠癌转移淋巴结和非转移淋巴结的MIR有差异，所建鉴别模型性能较好，表明该技术可在术中实现原位、在体、快速、简便地诊断直肠癌是否会发生淋巴结转移。Li等[18]结合内镜技术测量结肠炎与结直肠癌组织的MIR，对比发现癌组织光谱中脂质相关吸收峰的强度降低甚至消失、蛋白质酰胺 Ⅰ 带和 Ⅱ 带的吸收强度降低等特点；采用改进K-最近邻分类方法建立的分类方法的灵敏度为81.38%、特异度为92.69%。Kaznowska等[19]测量健康结肠组织、化疗前后的结肠癌组织、结肠癌手术边缘组织的MIR，显示健康组织与化疗前后癌组织的光谱有差异。Akin等[20]基于石蜡包埋组织的MIR发现胃癌组和结肠癌组与其相应健康组相比，表征脂质、核酸、蛋白质等生物分子的光谱吸收峰有显著差异，基于化学计量学的分类正确率较高，说明基于石蜡包埋组织MIRS快速诊断胃癌和结肠癌具有一定的可行性。阮森林等[21]将结直肠癌患者、肠炎患者及健康者血清冻干压片，测量并分析其MIR，发现结直肠癌患者与健康者的血清光谱中核酸峰位有差异，聚类分析结果显示具有一定程度的聚类。可见结直肠癌的MIR研究较为深入广泛，可采用组织或血清判别癌与非癌、癌与炎症等，并结合光纤、内镜等技术实现原位、在体检测。

3 胃癌生物样品

刘铭等[22]利用光纤测定正常胃组织与胃癌组织MIR，对比发现两类组织在蛋白质、脂质、糖类和核酸的相关谱带存在明显差异。白月奎等[23]使用光纤探头测量胃周淋巴结(转移淋巴结与非转移淋巴结)组织MIR，发现两者的峰位、峰强等存在差异，说明该方法用于诊断胃癌淋巴结转移具有可行性。Sheng等[24]对比胃癌患者与健康人血清的MIR，发现H2959/H2931比值可作为胃癌与健康人群的鉴别诊断的依据，对1 140～1 000 cm-1区进行高斯拟合显示胃癌患者RNA/DNA比值明显低于健康人，表明基于血清MIRS可诊断胃癌。Wang等[25]通过研究胃癌患者与正常人头发的MIR发现癌光谱中有明显峰位移动，化学成像显示有脂质等变化。可见MIR可基于多种生物样品(如胃部组织、血清、头发等)判别胃癌与正常、胃癌淋巴结是否转移，结果具有较高的正判率；还可结合光纤等技术实现原位、在体检测。

4 乳腺癌生物样品

Depciuch等[26]测量正常乳腺组织、化疗前后乳腺癌组织及乳腺癌周围正常乳腺组织MIR，发现与正常组织相比，癌组织中糖、蛋白质、脂肪、类胡萝卜素的含量和结构有变化，这4类物质可作为诊断乳腺癌的肿瘤标志物。Luo等[27]结合多变量对比研究乳腺癌组织与正常乳腺组织MIR，发现癌组织中脂质与蛋白质、核酸与脂质、磷酸盐与碳水化合物等的含量均有显著改变，认为以上物质可作为预测乳腺癌的潜在生物标志物。Backhaus等[28]测定乳腺癌患者与非乳腺癌女性血清MIR并结合聚类分析和人工神经网络进行分析，均可达到90%以上的灵敏度和特异度。Elmi等[29]分析发现，健康人与乳腺癌患者血清的MIR在多个波段存在差异，结合偏最小二乘线性判别分析法可达到较好的诊断准确度、灵敏度和特异度。沈婕等[30]采集健康女性和乳腺癌患者血清的MIR并建立判别模型(验证集正判率100%)，表明该方法能基于血清区分健康者与乳腺癌患者。Lyman和Murraywijelath[31]对比得出乳腺癌患者与非乳腺癌女性头发的MIR有差异，推测可能是乳腺癌影响头发生长致使头发里物质的组成和构造发生变化。可见通过对比乳腺正常组织与癌组织的MIR表征，发现多种可用于乳腺癌诊断的肿瘤标志物；此外血清、头发的MIR也具有一定差异，有望实现无创检测。

5 小结

目前,几乎没有针对肝癌诊断的MIRS研究，但对其他肿瘤均有研究。MIRS可在分子层面为临床诊断肿瘤提供一种便捷、准确的分析方法，且样品类型多样(组织、血清、毛发、痰液)，还可借助光纤探头和内镜实现在体、原位测量光谱。为推广MIRS在临床肿瘤辅助诊断方面的应用，相关研究人员仍需不断研究和优化MIRS和设备，以实现早发现、早治疗，提高肿瘤患者治愈率及术后生命质量，降低病死率和医疗费用，减轻个人和社会的经济负担。