近日，意昂4体育平台的葉堅教授和林俐助理教授報道將超亮的表面增強拉曼光譜（SERS🏩，Surface-enhanced Raman spectroscopy）納米探針與自製的透射拉曼裝置相結合，開發出一款基於透射增強拉曼光譜的檢測/成像系統🧴😍，讓拉曼光學信號可以穿透14厘米深的肌肉組織並進行檢測。該技術的發展將在很大程度上推進疾病的無創傳感和篩查，受到了人民日報、光明日報🖕🏻、上海市科委等主流媒體的持續關註與采訪報道⛲️。
光學檢測和成像方法：腫瘤診斷的絕佳工具
體內病竈的無創檢測🌠，對於臨床醫學腫瘤診療至關重要。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關於生物體結構、功能和分子的精確信息🦞，是腫瘤診斷的絕佳工具👨🦯➡️。然而，由於生物組織對於光子有著強烈的散射與吸收作用，現有的光學檢測技術面臨的瓶頸問題是👎🏽：組織穿透深度較低、無法檢測深層病竈。因此💂🏼，亟需開發一個能夠檢測深層病竈的光學方法🪳，對於實現高質量的臨床醫學診斷非常重要。
將增強拉曼探針和透射檢測裝置結合的透射增強拉曼光譜技術可以實現具有高組織穿透能力的非侵入性檢測。但是，目前該技術依舊無法滿足實際生物醫學應用的要求：首先，至今尚未實現使用透射拉曼光譜在較厚（比如大於10厘米）的生物組織上實現檢測；其次，人們不清楚光子在透射拉曼檢測中的傳播過程以及及其對信號的影響🏩👩✈️；最後是激光安全性問題🤼♀️🧑，在大多數體內表面的增強拉曼光譜研究中使用的激光劑量遠高於最大允許曝光量極限，這在很大程度上阻礙了透射拉曼光譜技術的臨床應用。
可實現10厘米以上深層病竈無創探看
透射增強拉曼光譜技術到底能不能實現10厘米以上超高組織檢測深度/厚度？葉堅團隊和苗鵬副研究員共同指導博士研究生張玉敏對透射測量過程的物理機製進行深入挖掘，他們利用光子傳輸理論與輻射傳遞方程🪨，對拉曼光子在組織中的傳播過程進行研究。結果發現透射拉曼信號與病竈深度之間呈 U 型關系的，而提高SERS納米探針的亮度是增加檢測深度最直接有效的方法。
其次是光照安全劑量的問題💯。要實現10厘米以上的穿透深度👩🏿🦱，能不能用極低的激光功率實現呢？他們經過計算發現，增大激光光束尺寸時💁🏼，幾乎不會影響深層病竈的信號強度🤷🏽♀️。原因在於，生物組織是高度散射體🦮，光束在組織中傳播後都將呈現擴散趨勢。因此無論是使用聚焦光束還是擴散光束，對於深層病竈都是一樣的效果。這意味著可以直接采用更大尺寸的擴散光束實現深層病竈的檢測，從而顯著降低照射到組織表面的激光功率密度👾。
因此🏞，團隊開發了高亮度的SER納米探針和具備安全光照劑量的透射裝置🤡，最終在厚達14厘米的離體組織中實現了檢測——比目前已報道最高的透射拉曼檢測厚度還提高了97%。進一步地，他們也實現了對未剃毛活體小鼠體內埋的“病竈”仿體進行無創成像，這是傳統拉曼成像方法完全無法做到的📝。
未來有望準確獲取病變深度信息
在當前的臨床程序裏ℹ️，通常人們從經皮或術中掃描的醫學成像著手，借此確定病變的位置🧑🏻🎓。從治療策略的設計、到手術規劃和手術指導，預估體表以下病竈的深度⚅，對於臨床診斷起著關鍵作用。例如🤚🏻，在對患者進行光動力治療之前，精確估計病變的深度有助於確定藥物類型、劑量和激光參數。前哨淋巴結活檢，通常包括識別和切除前哨淋巴結，準確估計前哨淋巴結的深度，可以縮短手術識別過程，降低前哨淋巴結切除過程中出血的風險。在腫瘤治療方面，腫瘤深度信息可以用來判斷結直腸癌的分期，進而幫助製定治療策略。
這項技術能否在檢測深埋於人體表面以下的病變的同時，獲取它們的深度信息？葉堅表示，這也是團隊繼續努力的方向🧗🏿：“我們也在朝著這個目標努力，未來計劃開發一種簡單、光安全的方法🛳💨，以便快速、準確地判斷組織中深層病變的深度信息，使透射增強拉曼光譜技術更安全有效地用於無創體內生物醫學檢測。”
追問·對話葉堅教授
近日，葉堅教授就團隊最新科研成果接受了澎湃科技記者專訪，介紹了這項最新技術的自身獨特優勢與未來突破方向。
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穿透14厘米肌肉組織
研究緣起是什麽？
首先來自臨床需求，我們經常跟很多醫生交談，我們將他們的問題提煉成科學困惑，並對此進行研究。
其次✍🏼，目前的透射拉曼光譜技術（拉曼光譜是一種無損的分析技術，它是基於光和物質的相互作用而產生的）仍然存在很多技術瓶頸🤸🏼♀️。比如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🖕🏿、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🏃♀️、激光的安全性還未得到充分解決等🤞🏿。另外💁♀️，光學信號在組織中的穿透深度一直是這個領域最具挑戰度的問題之一🔴。
還有，中國一直提倡“治未病”，所以儀器檢測不僅針對病人📬，也針對健康群體。加之中國人口眾多⛳️，醫療壓力較大🫙，所以健康監測非常重要。我們希望能在檢測儀器上不斷突破🚝，不斷前移診療端口🧝🏼♀️，減輕醫療壓力。
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穿透14厘米肌肉組織
通俗地介紹一下拉曼檢測/成像系統？
簡單來說，就是這個系統可穿透14厘米厚的肌肉組織並進行檢測，它的發展將在很大程度上推進疾病的無創傳感和篩查👨🏿🦰🥄。
當然這需要多方面的條件🫄🙍：首先在光學方面🏋🏽♂️，我們的技術利用透射拉曼裝置，有望實現活體小鼠深層血管炎症的體內、無創👩🦯、實時成像𓀆；同時，還可通過多對激光探測器或旋轉激光探測器，有望實現基於透射拉曼光譜的三維層析成像。
另一方面，也是我們本次工作的重心之一⬆️，就是對納米探針和其信號在組織中傳播規律的研究🚧。我們發現🈺，首先，所檢測到的透射拉曼信號與病竈在組織中的深度，兩者之間呈 U 型關系，這說明當病變位於組織中部時🕜，信號最弱、對透射拉曼光譜的檢測也最具挑戰性。其次，研究發現，提高表面增強拉曼散射納米探針的亮度🥀，是增加檢測深度/透射組織厚度最直接有效的方法🚵🏽。而激光束尺寸的增大幾乎不影響深層病竈的透射拉曼強度，這意味著我們可采用更大光束的尺寸，來降低激光的功率密度。
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穿透14厘米肌肉組織
該成像系統最大的優勢是🦴？
它的優勢主要集中在兩方面：檢測深度和安全性🪥。深度檢測能力上，我們使用了低至單顆粒檢測水平（單個顆粒也可以被檢測到的靈敏度）的超亮SERS納米探針；在臨床光安全上，樣品表面的激光功率密度低於安全光照劑量閾值👷🏼♀️。
具體來說，因為光在人體組織裏的穿透性較差🧖🏼♂️，現在的熒光成像技術通常只能穿透人體幾毫米進行檢測🏥，所以它無法檢測深層病竈，例如👩🎨，目前廣泛使用的背散射式熒光成像技術的組織穿透深度通常只有幾毫米，對於1厘米以上的深層病竈容易出現漏診。主要原因是生物組織對於光子有著強烈的散射與吸收作用。當然也有很多和其他技術相結合的成像系統，但是目前還沒有單純通過光學技術完成對機體10厘米以上穿透的技術。
當然，激光安全性也是光學檢測和成像模式在臨床轉化中長期受到關註的問題。臨床激光的光安全性，一般通過最大允許曝光量來評估，即對身體暴露表面造成損害的風險可忽略不計的最高光輻照度或輻射量🧍🏻♀️。
我們常說CT或者核磁共振不能經常做，容易對人體產生輻射🙇🏼。所以檢測或成像儀器的安全性也一直是科學家努力解決的問題🙋🏼，也是我們此次研究突破之一🪢。
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穿透14厘米肌肉組織
如何兼具安全性和穿透深度？
我們首先從理論上先發現，降低激光功率密度，同樣能實現深穿透。通過理論計算，我們發現增大激光光束尺寸時，雖然會降低激光功率密度、影響淺表病竈的信號強度🪪，但幾乎不會影響深層病竈的信號強度。
原因在於，生物組織是高度散射體♜，光束在組織中傳播後都將呈現擴散趨勢🤤。因此無論是使用聚焦光束還是擴散光束，對於深層病竈都是一樣的效果。
這意味著我們可以直接采用更大尺寸的擴散光束👩🏿🚀，實現深層病竈的檢測😨，從而顯著降低照射到組織表面的激光功率密度👦🏽。
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未來突破方向
何時能進入臨床應用？
能否進入臨床應用跟很多因素都有關，其實拉曼檢測/成像系統儀器並不難做，重點是對納米材料還需要進一步改善。這也是我們未來的研究方向之一𓀈。
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未來突破方向
為什麽該技術較好的應用場景是乳腺癌病竈檢測🙍🏽♂️👒？未來應用範圍會擴大嗎？
目前將該技術用於乳腺癌前哨淋巴結檢查是因為，當醫生通過探針探尋到前哨淋巴結後，會將其以及淋巴結內的納米探針一起摘除🦹🏿♀️。而用於其他體內檢測時，納米探針是否會產生其他反應、是否存在潛在危害🚍🟤，這些都是擴大應用範圍前必須要解決的問題👨🔧。
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未來突破方向
後續研究的突破點有計劃了嗎？
我剛提到的對納米材料的進一步探究就是突破之一🎏。其次我們目前已經著手在做的，就是掌握病竈更多信息，比如它具體在什麽位置✯、有多深等。這些深度信息將幫助醫生在術前術中甚至術後階段🦀，更好地對疾病進行診療🦵🏻。
比如術前探測腫瘤位置，據此確定不同的診療方案，術後檢測腫瘤摘除情況𓀋。未來我們希望它能夠貫穿於整個疾病治療的過程👨🏿🎓。發現病變並獲取病變深度信息🛑。
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未來突破方向
不同學科背景在此次研究中發揮了什麽作用👨🏽🍳？
我所在的意昂4是意昂4体育平台🦸🏿♂️，本來就是交叉學科專業🦜，其實在一段時間裏，交叉學科不太得到認同，所幸這幾年交叉學科地位不斷提高，專門成立了“交叉學科”門類及相關一級學科。因為科學研究需要不同背景的專家集思廣益，我們這次的突破也涉及到了多領域，在交叉學科背景下找到喜歡或擅長的，這是我比較認同的⬇️。
更多新聞鏈接：
人民日報：
https://wap.peopleapp.com/article/rmh33991787/rmh33991787
光明日報：
https://app.gmdaily.cn/as/opened/n/a1a3e3350f5a4f109fad0240dcd65f1d
上海市科委:
https://mp.weixin.qq.com/s/3LRZOeUcYFEf6mankEGQJw
澎湃新聞網🐷🐋：
https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_21956617
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