無創(chuàng)檢測(cè)體內(nèi)腫瘤病灶對(duì)于臨床醫(yī)學(xué)腫瘤診療至關(guān)重要。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)如計(jì)算機(jī)斷層掃描、核磁共振或正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描等雖然能診斷體內(nèi)深層病灶，但存在采集時(shí)間長(zhǎng)、儀器昂貴或輻射劑量大等原因，更常用于術(shù)前檢查。與之相比，光學(xué)檢測(cè)和成像方法具有實(shí)時(shí)、高靈敏、非電離輻射、采集方便等優(yōu)勢(shì)，結(jié)合外源性造影劑可以提供生物體結(jié)構(gòu)、功能和分子的精確信息，是腫瘤診斷的絕佳工具。但是，現(xiàn)有的腫瘤光學(xué)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展也面臨著瓶頸：組織穿透深度較低，無法檢測(cè)深層病灶。由于生物組織對(duì)光子強(qiáng)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(gè)領(lǐng)域中的巨大挑戰(zhàn)。例如，近紅外區(qū)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(shù)的組織穿透深度通常只有幾毫米。臨床結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于吲哚菁綠的分子影像無法檢測(cè)到距離胸膜深度超過1.3 cm的肺結(jié)節(jié)，容易造成假陰性。

圖1. 生物組織對(duì)光子的散射與吸收

表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）對(duì)金屬納米顆粒附近的分子的拉曼信號(hào)實(shí)現(xiàn)極大地增強(qiáng)，具有高特異性和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于生物光譜檢測(cè)。為了獲取更高的檢測(cè)深度，已經(jīng)報(bào)道了光源和探測(cè)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(dá)表面時(shí)會(huì)有更大的橫向偏移?？臻g偏移拉曼光譜抑制了表層的背景信號(hào)，因此提高了來自深層信號(hào)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(cè)器放置在樣品的兩側(cè)。據(jù)報(bào)道，透射拉曼光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)具有高組織穿透能力的無創(chuàng)檢測(cè)。

盡管如此，透射拉曼光譜技術(shù)的最新水平仍未能滿足實(shí)際生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需求。首先，目前文獻(xiàn)報(bào)道的透射拉曼光譜技術(shù)的檢測(cè)深度或組織厚度仍遠(yuǎn)低于與人體相關(guān)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(shù)穿透超過10 cm厚的體外組織或活體動(dòng)物的可行性迄今尚未得到證實(shí)。其次，光子在透射拉曼檢測(cè)中的傳播過程以及測(cè)量因素如何決定信號(hào)尚不清楚。透射拉曼信號(hào)不僅受組織散射系數(shù)和吸收系數(shù)的影響，還可能與SERS納米探針的亮度、病灶埋深、組織總厚度等因素有關(guān)。評(píng)估這些決定性因素之間的關(guān)系至關(guān)重要。第三，激光的安全性是光學(xué)模態(tài)臨床轉(zhuǎn)化中一個(gè)長(zhǎng)期關(guān)注的問題。臨床激光的光安全性通常由最大允許照射量來評(píng)估，即對(duì)暴露的身體表面造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)可忽略不計(jì)的最高激光輻射水平。然而，目前大多數(shù)體內(nèi)SERS研究使用的激光劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光安全劑量限值，這在很大程度上阻礙了SERS技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化。

圖2. 透過活體小鼠使用透射裝置和超亮SERS造影劑對(duì)深部腫瘤進(jìn)行活體無創(chuàng)成像示意圖以及透射拉曼光譜信號(hào)的理論計(jì)算

為了解決本領(lǐng)域的上述重要問題，上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院葉堅(jiān)團(tuán)隊(duì)首先從透射拉曼光譜測(cè)量過程中拉曼光子傳播的理論建模和計(jì)算入手，研究了實(shí)驗(yàn)參數(shù)（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(duì)透射拉曼光譜探測(cè)深度的影響（如圖2）。理論計(jì)算表明，透射拉曼信號(hào)與信號(hào)源的埋深之間呈不對(duì)稱的U型關(guān)系，說明病變位于組織中部時(shí)信號(hào)最弱，對(duì)透射拉曼信號(hào)的檢測(cè)是最具挑戰(zhàn)性的。而提高SERS納米探針的亮度是增加檢測(cè)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(duì)深部病灶的透射拉曼檢測(cè)強(qiáng)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(kuò)散光束照明的體外透射拉曼光譜檢測(cè)

基于這些發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了超亮SERS納米探針與自制的透射拉曼裝置相結(jié)合，開發(fā)了一個(gè)拉曼檢測(cè)/成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：深度檢測(cè)能力，使用了低至單顆粒檢測(cè)水平的超亮SERS納米探針；臨床光安全，樣品表面的激光功率密度低于安全光照劑量閾值。

利用該系統(tǒng)，團(tuán)隊(duì)成功地在安全光照劑量?jī)?nèi)通過體外14 cm厚的組織實(shí)現(xiàn)了對(duì)包埋在其中的SERS納米探針的檢測(cè)（圖3），與目前已報(bào)道的透射拉曼光譜檢測(cè)研究相比，穿透深度提高了約97%。進(jìn)一步地，團(tuán)隊(duì)在安全光照劑量?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)了1.5 cm厚未剃毛活鼠體內(nèi)深層SERS納米探針的體內(nèi)無創(chuàng)成像（圖4），相比之下，傳統(tǒng)的背散射拉曼成像無法獲得顯著信號(hào)。這項(xiàng)工作為透射拉曼光譜技術(shù)在體內(nèi)非侵入性生物醫(yī)學(xué)檢查方面的發(fā)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癥診斷的可行工具。