近日，上海交通大学生物医学工程学院的叶坚教授和林俐助理教授报道将超亮的表面增强拉曼光谱（SERS，Surface-enhanced Raman spectroscopy）纳米探针与自制的透射拉曼装置相结合，开发出一款基于透射增强拉曼光谱的检测/成像系统，让拉曼光学信号可以穿透14厘米深的肌肉组织并进行检测。该技术的发展将在很大程度上推进疾病的无创传感和筛查，受到了人民日报、光明日报、上海市科委等主流媒体的持续关注与采访报道。
光学检测和成像方法：肿瘤诊断的绝佳工具
体内病灶的无创检测，对于临床医学肿瘤诊疗至关重要。光学检测和成像方法具有实时、高灵敏、非电离辐射、采集方便等优势，结合外源性造影剂可以提供关于生物体结构、功能和分子的精确信息，是肿瘤诊断的绝佳工具。然而，由于生物组织对于光子有着强烈的散射与吸收作用，现有的光学检测技术面临的瓶颈问题是：组织穿透深度较低、无法检测深层病灶。因此，亟需开发一个能够检测深层病灶的光学方法，对于实现高质量的临床医学诊断非常重要。
将增强拉曼探针和透射检测装置结合的透射增强拉曼光谱技术可以实现具有高组织穿透能力的非侵入性检测。但是，目前该技术依旧无法满足实际生物医学应用的要求：首先，至今尚未实现使用透射拉曼光谱在较厚（比如大于10厘米）的生物组织上实现检测；其次，人们不清楚光子在透射拉曼检测中的传播过程以及及其对信号的影响；最后是激光安全性问题，在大多数体内表面的增强拉曼光谱研究中使用的激光剂量远高于最大允许曝光量极限，这在很大程度上阻碍了透射拉曼光谱技术的临床应用。
可实现10厘米以上深层病灶无创探看
透射增强拉曼光谱技术到底能不能实现10厘米以上超高组织检测深度/厚度？叶坚团队和苗鹏副研究员共同指导博士研究生张玉敏对透射测量过程的物理机制进行深入挖掘，他们利用光子传输理论与辐射传递方程，对拉曼光子在组织中的传播过程进行研究。结果发现透射拉曼信号与病灶深度之间呈 U 型关系的，而提高SERS纳米探针的亮度是增加检测深度最直接有效的方法。
其次是光照安全剂量的问题。要实现10厘米以上的穿透深度，能不能用极低的激光功率实现呢？他们经过计算发现，增大激光光束尺寸时，几乎不会影响深层病灶的信号强度。原因在于，生物组织是高度散射体，光束在组织中传播后都将呈现扩散趋势。因此无论是使用聚焦光束还是扩散光束，对于深层病灶都是一样的效果。这意味着可以直接采用更大尺寸的扩散光束实现深层病灶的检测，从而显著降低照射到组织表面的激光功率密度。
因此，团队开发了高亮度的SER纳米探针和具备安全光照剂量的透射装置，最终在厚达14厘米的离体组织中实现了检测——比目前已报道最高的透射拉曼检测厚度还提高了97%。进一步地，他们也实现了对未剃毛活体小鼠体内埋的“病灶”仿体进行无创成像，这是传统拉曼成像方法完全无法做到的。
未来有望准确获取病变深度信息
在当前的临床程序里，通常人们从经皮或术中扫描的医学成像着手，借此确定病变的位置。从治疗策略的设计、到手术规划和手术指导，预估体表以下病灶的深度，对于临床诊断起着关键作用。例如，在对患者进行光动力治疗之前，精确估计病变的深度有助于确定药物类型、剂量和激光参数。前哨淋巴结活检，通常包括识别和切除前哨淋巴结，准确估计前哨淋巴结的深度，可以缩短手术识别过程，降低前哨淋巴结切除过程中出血的风险。在肿瘤治疗方面，肿瘤深度信息可以用来判断结直肠癌的分期，进而帮助制定治疗策略。
这项技术能否在检测深埋于人体表面以下的病变的同时，获取它们的深度信息？叶坚表示，这也是团队继续努力的方向：“我们也在朝着这个目标努力，未来计划开发一种简单、光安全的方法，以便快速、准确地判断组织中深层病变的深度信息，使透射增强拉曼光谱技术更安全有效地用于无创体内生物医学检测。”
追问·对话叶坚教授
近日，叶坚教授就团队最新科研成果接受了澎湃科技记者专访，介绍了这项最新技术的自身独特优势与未来突破方向。
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穿透14厘米肌肉组织
研究缘起是什么？
首先来自临床需求，我们经常跟很多医生交谈，我们将他们的问题提炼成科学困惑，并对此进行研究。
其次，目前的透射拉曼光谱技术（拉曼光谱是一种无损的分析技术，它是基于光和物质的相互作用而产生的）仍然存在很多技术瓶颈。比如目前文献报道的透射拉曼光谱技术的检测深度或组织厚度仍远低于与人体相关的厚度值、光子在透射拉曼检测中的传播过程以及测量因素如何决定信号尚不清楚、激光的安全性还未得到充分解决等。另外，光学信号在组织中的穿透深度一直是这个领域最具挑战度的问题之一。
还有，中国一直提倡“治未病”，所以仪器检测不仅针对病人，也针对健康群体。加之中国人口众多，医疗压力较大，所以健康监测非常重要。我们希望能在检测仪器上不断突破，不断前移诊疗端口，减轻医疗压力。
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穿透14厘米肌肉组织
通俗地介绍一下拉曼检测/成像系统？
简单来说，就是这个系统可穿透14厘米厚的肌肉组织并进行检测，它的发展将在很大程度上推进疾病的无创传感和筛查。
当然这需要多方面的条件：首先在光学方面，我们的技术利用透射拉曼装置，有望实现活体小鼠深层血管炎症的体内、无创、实时成像；同时，还可通过多对激光探测器或旋转激光探测器，有望实现基于透射拉曼光谱的三维层析成像。
另一方面，也是我们本次工作的重心之一，就是对纳米探针和其信号在组织中传播规律的研究。我们发现，首先，所检测到的透射拉曼信号与病灶在组织中的深度，两者之间呈 U 型关系，这说明当病变位于组织中部时，信号最弱、对透射拉曼光谱的检测也最具挑战性。其次，研究发现，提高表面增强拉曼散射纳米探针的亮度，是增加检测深度/透射组织厚度最直接有效的方法。而激光束尺寸的增大几乎不影响深层病灶的透射拉曼强度，这意味着我们可采用更大光束的尺寸，来降低激光的功率密度。
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穿透14厘米肌肉组织
该成像系统最大的优势是？
它的优势主要集中在两方面：检测深度和安全性。深度检测能力上，我们使用了低至单颗粒检测水平（单个颗粒也可以被检测到的灵敏度）的超亮SERS纳米探针；在临床光安全上，样品表面的激光功率密度低于安全光照剂量阈值。
具体来说，因为光在人体组织里的穿透性较差，现在的荧光成像技术通常只能穿透人体几毫米进行检测，所以它无法检测深层病灶，例如，目前广泛使用的背散射式荧光成像技术的组织穿透深度通常只有几毫米，对于1厘米以上的深层病灶容易出现漏诊。主要原因是生物组织对于光子有着强烈的散射与吸收作用。当然也有很多和其他技术相结合的成像系统，但是目前还没有单纯通过光学技术完成对机体10厘米以上穿透的技术。
当然，激光安全性也是光学检测和成像模式在临床转化中长期受到关注的问题。临床激光的光安全性，一般通过最大允许曝光量来评估，即对身体暴露表面造成损害的风险可忽略不计的最高光辐照度或辐射量。
我们常说CT或者核磁共振不能经常做，容易对人体产生辐射。所以检测或成像仪器的安全性也一直是科学家努力解决的问题，也是我们此次研究突破之一。
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穿透14厘米肌肉组织
如何兼具安全性和穿透深度？
我们首先从理论上先发现，降低激光功率密度，同样能实现深穿透。通过理论计算，我们发现增大激光光束尺寸时，虽然会降低激光功率密度、影响浅表病灶的信号强度，但几乎不会影响深层病灶的信号强度。
原因在于，生物组织是高度散射体，光束在组织中传播后都将呈现扩散趋势。因此无论是使用聚焦光束还是扩散光束，对于深层病灶都是一样的效果。
这意味着我们可以直接采用更大尺寸的扩散光束，实现深层病灶的检测，从而显著降低照射到组织表面的激光功率密度。
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未来突破方向
何时能进入临床应用？
能否进入临床应用跟很多因素都有关，其实拉曼检测/成像系统仪器并不难做，重点是对纳米材料还需要进一步改善。这也是我们未来的研究方向之一。
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未来突破方向
为什么该技术较好的应用场景是乳腺癌病灶检测？未来应用范围会扩大吗？
目前将该技术用于乳腺癌前哨淋巴结检查是因为，当医生通过探针探寻到前哨淋巴结后，会将其以及淋巴结内的纳米探针一起摘除。而用于其他体内检测时，纳米探针是否会产生其他反应、是否存在潜在危害，这些都是扩大应用范围前必须要解决的问题。
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未来突破方向
后续研究的突破点有计划了吗？
我刚提到的对纳米材料的进一步探究就是突破之一。其次我们目前已经着手在做的，就是掌握病灶更多信息，比如它具体在什么位置、有多深等。这些深度信息将帮助医生在术前术中甚至术后阶段，更好地对疾病进行诊疗。
比如术前探测肿瘤位置，据此确定不同的诊疗方案，术后检测肿瘤摘除情况。未来我们希望它能够贯穿于整个疾病治疗的过程。发现病变并获取病变深度信息。
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未来突破方向
不同学科背景在此次研究中发挥了什么作用？
我所在的学院是生物医学工程学院，本来就是交叉学科专业，其实在一段时间里，交叉学科不太得到认同，所幸这几年交叉学科地位不断提高，专门成立了“交叉学科”门类及相关一级学科。因为科学研究需要不同背景的专家集思广益，我们这次的突破也涉及到了多领域，在交叉学科背景下找到喜欢或擅长的，这是我比较认同的。
更多新闻链接：
人民日报：
https://wap.peopleapp.com/article/rmh33991787/rmh33991787
光明日报：
https://app.gmdaily.cn/as/opened/n/a1a3e3350f5a4f109fad0240dcd65f1d
上海市科委:
https://mp.weixin.qq.com/s/3LRZOeUcYFEf6mankEGQJw
澎湃新闻网：
https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_21956617
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