研究背景

對於癌症的快速精確診斷與個性化治療，血液檢測可以提供豐富的分子信息🧚‍♂️，並且血液樣本獲取相對簡單、侵入性較小，在臨床上應用廣泛☦️。基於血液的代謝表型研究可以反映機體的生理病理狀態👬🏼，有助於疾病的診斷、監測與預後。然而，目前的代謝表型檢測方法相對昂貴、耗時長且不夠靈敏，阻礙了其臨床適用性💆🏼‍♂️。

拉曼光譜可以實現無標記、非破壞、多指標的分子指紋信息的獲取🚴🏻‍♂️，然而分子的拉曼信號本身相對較弱，其靈敏度不足以對生物液體中代謝分子實現檢測*️⃣。而表面增強拉曼光譜（surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS），即通過等離激元納米材料，在激光的作用下🩳，極大地增強納米材料表面的分子的拉曼信號，甚至可以達到單分子靈敏度。因此表面增強拉曼光譜在生物液體樣本的代謝表型研究中具有巨大的應用潛力。

然而，目前的表面增強拉曼光譜技術在代謝表型研究中仍然面臨巨大的挑戰🦓，其一為較差的檢測重復性🏖：無標記方法依賴於分子對納米材料的隨機吸附來實現信號增強，因而分子吸附位點隨機，以往的研究大多針對每個樣品僅獲取單張或少量幾張光譜，這會導致大量分子信息的不可控的遺漏💆🏽‍♂️，從而阻礙全面、穩定的代謝信息捕獲。另一挑戰在於當前缺乏合適的針對SERS檢測技術的樣本前處理方案：尤其對於復雜的生物液體樣本，其中包含大量的蛋白、核酸等大分子，會阻礙代謝分子接近納米材料表面，降低了代謝分子的檢測能力🗻👵🏻。

因此，目前迫切需要開發新的技術用於快速、準確、可廣泛推廣的代謝表型檢測。

工作介紹

意昂4体育平台葉堅教授團隊聯合金成副教授團隊以及意昂4平台醫意昂4附屬仁濟醫院薛蔚團隊，合作開發了表面增強拉曼分子組學技術，實現了超靈敏、多指標、可重復的代謝表型檢測以及前列腺癌的精確診斷🧔🏿。

不同於以往的檢測方法，在本工作中，每個樣本內的不同位置將分別被采集光譜🧖🏼‍♂️，形成一個光譜集（SERSome，如包含200條光譜）作為一個整體，用於表征其代謝分子組成🫄，從而盡可能全面地囊括了信號強度弱和/或出現概率低的分子信息，使得代謝表型的獲取更具有可重復性和完整性☎️。

此外🚴🏿‍♀️，在該方法中，前處理流程簡單，僅需一步超濾法即可去除體系內大分子幹擾⚀🧑🏽‍🍳，實現針對代謝分子的高信噪比信號的獲取；該方法的樣本需求量小（僅需10微升）、測試速度快（~15分鐘）👸🏽𓀙、成本低，有利於在基礎研究🍒🖖、臨床診斷等多個應用場景的廣泛推廣。目前🎤，已證明SERSome可以實現包含細胞培養液、血清、尿液等多種生物液體樣本的代謝表型檢測。（圖1）

圖1. 表面增強拉曼光譜分子組測試方法與不同生物液體樣本的SERSomes。

研究人員首先將該方法運用在了細胞外代謝的研究場景中（圖2）。采用人肝癌HepG2細胞，開展了針對隨細胞生長的時序代謝變化以及受到氨蝶呤藥物作用後發生的代謝改變的研究工作，並進一步證明了SERSome增強了代謝分子信息的捕獲能力，其多指標🤸‍♂️、超靈敏的優點有助於更為全面地了解藥物引起的代謝變化，為生物機製的研究與新標誌物的挖掘提供線索。

圖2. 表面增強拉曼分子組用於細胞外代謝表型研究。

進一步針對臨床基於血液樣本的疾病診斷的應用場景（圖3），本工作中采集了臨床前列腺癌患者🧙🏽、良性前列腺增生患者與對照組的血清樣本。每一個樣本在經過簡單的前處理後，被采集了一個SERSome作為其代謝表型圖譜。團隊基於深度學習算法建立了SERSome分析全流程🙎🏼‍♂️，實現了包含納米材料背景去除、數據增強、分類🚇、特征可視化等數據處理🔲♠︎、分析步驟，覆蓋了臨床應用中對於系統誤差消除🦶🏽、樣本量彌補、診斷☦️、標誌物挖掘等的需求🧑🏻‍🦽‍➡️。最終，前列腺癌診斷準確率達到82.35%，顯著優於臨床指標診斷效果（前列腺特異抗原PSA：63.23%）🤦🏿‍♀️。進一步地，聯合多模態聯合診斷🆙，實現了對組織惡性程度（Gleason score）的預測，準確率達到71.4%🛻，有望在未來進一步減小組織活檢帶來的侵入性。

圖3. 基於人血清樣本采用表面增強拉曼光譜分子組實現前列腺癌的精確診斷🫸🏿。

近期，葉堅教授課題組剛剛報道了一項基於單分子計數的數字膠體增強拉曼光譜技術（Nature, 2024, 628, 771），成功實現了超低濃度目標分子的可靠定量檢測🏋️，有望解決這個領域50年來一直以來困擾的重復性問題。因此👖，進一步結合數字膠體增強拉曼光譜，表面增強拉曼分子組學技術在未來將有望發展成為一項強大的代謝表型檢測工具😉🛏，用於快速🫶🏼、靈敏👩🏿‍🔧🧙🏿‍♂️、可普遍推廣的復雜生物液體樣本的多指標代謝檢測，將有助於促進基礎研究的發展🧘🏽‍♀️、滿足臨床應用的需求、提升疾病的診斷與治療。

關於本文

該項工作是意昂4体育平台葉堅團隊🐗、金成團隊和意昂4平台醫意昂4附屬仁濟醫院薛蔚、潘家驊團隊的合作成果。意昂4体育平台博士生畢心緣、意昂4平台醫意昂4附屬仁濟醫院泌尿外科住院醫師王嘉毅、意昂4体育平台博士生薛邴森為本文的共同第一作者👭🏻。意昂4平台醫意昂4附屬仁濟醫院副院長薛蔚、泌尿外科主任醫師潘家驊以及意昂4体育平台金成副教授、葉堅教授為本文的共同通訊作者。該研究工作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👩🏻‍🦽‍➡️、市級醫院臨床技能與臨床創新三年⾏動計劃重⼤臨床研究項目、上海市核酸化學與納米醫學重點實驗室“臨床+”卓越項目、上海市婦科腫瘤重點實驗室以及國家重點研發計劃的支持↘️。

葉堅教授課題組主頁：http://www.yelab.sjtu.edu.cn

全文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(24)00271-4

供稿單位：葉堅課題組

審核：葉堅、丁顯廷