無創檢測體內腫瘤病竈對於臨床醫學腫瘤診療至關重要🥬。醫學成像技術如計算機斷層掃描🕉、核磁共振或正電子發射計算機斷層掃描等雖然能診斷體內深層病竈，但存在采集時間長🧒🏻、儀器昂貴或輻射劑量大等原因🦠，更常用於術前檢查✨。與之相比，光學檢測和成像方法具有實時、高靈敏、非電離輻射🏄🏼‍♂️、采集方便等優勢😍，結合外源性造影劑可以提供生物體結構、功能和分子的精確信息，是腫瘤診斷的絕佳工具🧚🏿。但是，現有的腫瘤光學檢測技術的進一步發展也面臨著瓶頸🫵🏿：組織穿透深度較低，無法檢測深層病竈🧑‍🎄。由於生物組織對光子強烈的散射和吸收作用（如圖1），光在生物組織中的穿透深度受限一直是這個領域中的巨大挑戰。例如🆖🧘🏻，近紅外區域肌肉組織的傳輸平均自由程只有1~2 mm，目前廣泛使用的熒光成像技術的組織穿透深度通常只有幾毫米。臨床結果發現，基於吲哚菁綠的分子影像無法檢測到距離胸膜深度超過1.3 cm的肺結節，容易造成假陰性⬅️🔰。

圖1. 生物組織對光子的散射與吸收

表面增強拉曼光譜（SERS）對金屬納米顆粒附近的分子的拉曼信號實現極大地增強，具有高特異性和高靈敏度等優點，非常適合用於生物光譜檢測💇🏻‍♂️。為了獲取更高的檢測深度🕒，已經報道了光源和探測器間具有一定空間偏移的空間偏移拉曼光譜裝置💥。它利用了生物組織的高散射特性🧖🏿，即來自深層的光子到達表面時會有更大的橫向偏移。空間偏移拉曼光譜抑製了表層的背景信號，因此提高了來自深層信號的信噪比👏。它的一種特殊形式是透射拉曼光譜，它將激光和拉曼探測器放置在樣品的兩側。據報道，透射拉曼光譜技術可以實現具有高組織穿透能力的無創檢測。

盡管如此，透射拉曼光譜技術的最新水平仍未能滿足實際生物醫學應用的需求🛰。首先☛，目前文獻報道的透射拉曼光譜技術的檢測深度或組織厚度仍遠低於與人體相關的厚度值。例如📦，人類的腹背距離超過10 cm。然而🎅🏽😷，使用透射拉曼光譜技術穿透超過10 cm厚的體外組織或活體動物的可行性迄今尚未得到證實⬛️。其次，光子在透射拉曼檢測中的傳播過程以及測量因素如何決定信號尚不清楚💂🏻‍♂️。透射拉曼信號不僅受組織散射系數和吸收系數的影響，還可能與SERS納米探針的亮度🥬、病竈埋深🧗、組織總厚度等因素有關。評估這些決定性因素之間的關系至關重要。第三，激光的安全性是光學模態臨床轉化中一個長期關註的問題。臨床激光的光安全性通常由最大允許照射量來評估🤏🏽🐛，即對暴露的身體表面造成損傷的風險可忽略不計的最高激光輻射水平。然而，目前大多數體內SERS研究使用的激光劑量遠遠高於光安全劑量限值，這在很大程度上阻礙了SERS技術的臨床轉化。

圖2. 透過活體小鼠使用透射裝置和超亮SERS造影劑對深部腫瘤進行活體無創成像示意圖以及透射拉曼光譜信號的理論計算

為了解決本領域的上述重要問題，意昂4体育平台葉堅團隊首先從透射拉曼光譜測量過程中拉曼光子傳播的理論建模和計算入手，研究了實驗參數（組織厚度👩🏿‍🚒、SERS納米探針位置✊🏿、納米探針亮度、激光功率和光束尺寸）對透射拉曼光譜探測深度的影響（如圖2）。理論計算表明，透射拉曼信號與信號源的埋深之間呈不對稱的U型關系❔，說明病變位於組織中部時信號最弱👧🏼，對透射拉曼信號的檢測是最具挑戰性的。而提高SERS納米探針的亮度是增加檢測深度/透射組織厚度最直接有效的途徑。此外，光束尺寸的增大對深部病竈的透射拉曼檢測強度幾乎沒有影響🚣🏿‍♂️。因此，可以采用較大的激光束尺寸來降低功率密度。

圖3. 擴散光束照明的體外透射拉曼光譜檢測

基於這些發現，該團隊設計製備了超亮SERS納米探針與自製的透射拉曼裝置相結合🤽🏿‍♀️，開發了一個拉曼檢測/成像系統。該系統具有以下優點:（1）深度檢測能力，使用了低至單顆粒檢測水平的超亮SERS納米探針;（2）臨床光安全，樣品表面的激光功率密度低於安全光照劑量閾值👩🏻‍🏭。

利用該系統🚨，團隊成功地在安全光照劑量內通過體外14 cm厚的組織實現了對包埋在其中的SERS納米探針的檢測（圖3），與目前已報道的透射拉曼光譜檢測研究相比，穿透深度提高了約97%👮‍♂️。進一步地🪑，團隊在安全光照劑量內實現了1.5 cm厚未剃毛活鼠體內深層SERS納米探針的體內無創成像（圖4）🦸🏼‍♀️，相比之下🧑🏻‍🦰，傳統的背散射拉曼成像無法獲得顯著信號。這項工作為透射拉曼光譜技術在體內非侵入性生物醫學檢查方面的發展提供了新的見解，證明透射拉曼光譜有望成為未來臨床癌症診斷的可行工具👨🏼‍🚀🧔‍♂️。

圖4. 活體小鼠無創光安全透射拉曼光譜檢測

研究成果“In Vivo Surface-Enhanced Transmission Raman Spectroscopy Under Maximum Permissible Exposure: Toward Photosafe Detection of Deep-Seated Tumors”近期發表在《Small methods》（2022），論文的第一作者為意昂4体育平台博士生張玉敏，意昂4体育平台林俐助理教授和葉堅教授為共同通訊作者。此工作還得到了意昂4体育平台苗鵬副研究員團隊的大力支持。該研究得到了國家自然科學基金委、上海市科學技術委員會、意昂4平台、上海市婦科腫瘤重點實驗室、上海市教育發展基金會的支持。

供稿單位：葉堅課題組

作者：張玉敏