中红外光谱技术用于人体肿瘤在体原位检测的研究

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中红外光谱技术用于人体肿瘤在体原位检测的研究 李庆波1，潘立红1，徐智2，张元福1，杨丽敏1，张莉1,王凡1,吴瑾光1* 1. 北京大学化学与分子工程学院，稀土材料化学及应用国家重点实验室， 北京 100871 wjg@chem.pku.edu.cn (​mailto:wjg@chem.pku.edu.cn​) 2. 北京大学第三医院， 北京 100083 摘要 本文采用傅立叶变换中红外光谱技术实现了胃、肝、胆囊等肿瘤组织的在体原位检测。样品的红外光谱为美国热电Nicolet公司生产的中红外光纤、ATR探头与北京第二光学仪器厂改进的WQF-500型红外光谱仪联用测定。实验是在北京大学第三医院外科手术室中进行，实验前已经获得病人同意。实验结果表明在体原位的肿瘤组织的光谱特征同我们先前液氮冰冻样品以及新鲜离体样品研究中所得到的鉴别癌症与正常组织光谱变化规律的结果是相似的。在体原位红外检测结果与病理检验结果一致。 主题词: 中红外光纤；FTIR；肿瘤；在体原位检测 中图分类号：R730.43 文献标志码：A 据世界卫生组织调查的资料，全球每年约有710万人死于恶性肿瘤。我国卫生部2001年对国内各大城市前5位死亡率最高的疾病进行排名，恶性肿瘤名列首位，占总疾病死亡数的24.39%。全国每年新发恶性肿瘤患者200万人，死于恶性肿瘤的人数达145万。分子光谱法是分子结构变化的灵敏探针。傅立叶变换红外光谱法在生物学研究中拥有许多优势。FT-IR技术已被用于鉴别恶性和良性肿瘤组织样本。在前期工作中，研究结果表明FT-IR方法能够揭示出良性和恶性肿瘤组织之间存在的差异[1]，并经历了液氮冷冻的离体组织的检测；在手术室旁对刚刚离体的新鲜样品进行及时检测[2]；第三阶段也是我们研究的主要目的, 即肿瘤的在体原位无创检测[3]，这样可以很快判别组织正常与否，帮助医生考虑手术方案, 确定手术切除的边缘，减少等待冰冻活检的时间，可作为病理检测法的补充。我们应用易于搬动的红外光谱仪同中红外光纤技术结合，在手术室中由在体原位组织的光谱判断其是否癌变。本文运用红外光谱仪-中红外光纤联用技术，实现了肿瘤组织的在体原位无创检测。 样品的红外光谱为美国热电Nicolet公司生产的中红外光纤、ATR探头与北京第二光学仪器厂改进的WQF-500型红外光谱仪联用测定。实验是在北京大学第三医院外科手术室中进行，实验前已经获得病人同意，光纤ATR探头经碘伏、酒精消毒后放在病人组织上进行红外光谱测定，相应测定部位组织做病理检测作为对比。 胃癌的术中原位在体红外光谱如图1A所示。与典型的正常胃组织离体光谱(图1B)相比较可知，蛋白质酰胺I带的峰位向低波数移动；蛋白质酰胺II带的强度与1740cm-1 附近的C=O峰强变弱。1463cm-1附近的吸收峰强降低。以上特征为胃组织恶性肿瘤的典型光谱特征。红外检测结果与病理检验结果一致。 Fig.1 The spectra of gastric tissues A: the spectrum of malignant gastric tissue measured in vivo and in situ B: the typical spectrum of normal gastric tissue measured in vitro 图2A是肝癌在体原位测量光谱图。从图2中可见，肝癌光谱与典型的正常肝组织光谱（图2B）之间存在明显的差异。在肝癌的在体原位光谱中，2924cm-1, 2853cm-1, 2957 cm-1附近的CH伸缩振动吸收峰和1743 cm-1附近的C=O 振动谱峰强度变弱，甚至消失；蛋白质酰胺II带和1460cm-1附近的吸收峰强降低；1310cm-1附近的吸收峰增强。实验结果表明在体原位的肿瘤组织的光谱特征同我们先前液氮冰冻样品以及新鲜离体检测的结果是相似的，即符合液氮和新鲜离体样品研究中所得到的鉴别癌症与正常组织光谱变化规律。 Fig. 2 The spectra of liver tissues A: the spectrum of malignant liver tissue measured in vivo and in situ B: the typical spectrum of normal liver tissue measured in vitro 我国胆囊癌占消化道肿瘤第5位，胆道肿瘤的首位。图3是胆囊癌术中在体原位测量的红外光谱。以下光谱特征都表明该样品为恶性肿瘤：1460cm-1附近的吸收峰强度降低，使得I1460cm-1/I1400cm-1的相对强度小于1；1300cm-1附近的吸收峰强度增加；酰胺I带吸收峰位于1638 cm-1 (<1642 cm-1)；位于1548 cm-1的酰胺II带吸收峰减弱。 Fig.3 The spectrum of gallbladder tumor measured in vivo and in situ 初步研究结果表明FT-IR与中红外光纤技术的结合具有肿瘤快速在体检测的临床应用前景，但还需要通过大量实验，积累人体不同部位、不同器官的正常及肿瘤组织的光谱，利用傅立叶变换光谱处理技术，分析差别、总结规律，从中找出统计性的规律，以确立一套严格的诊断标准，为进一步建立临床诊断标准提供理论与实验的依据。 参 考 文 献 1 彭卿，徐怡庄，吴瑾光等.胃肠道正常组织与相应肿瘤组织结构的FTIR光谱研究, 光谱学与光谱分析，1998，18(5):528-531 2 杨丽敏，徐智，吴瑾光等.中红外光纤技术用于肿瘤在体原位诊断的研究，光谱学与光谱分析，2003，23 (5):883-884 3 Sun XJ, Su YL, Soloway RD, et al. Rapid, intraoperative detection of malignancy using attenuated total reflectance (ATR) and mobile Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy GASTROENTEROLOGY 2003，124 (4): A420-A421 Clinical Application of FT-IR Spectroscopy in Diagnosis of Cancer in Situ and in Vivo LI Qing-bo1, PAN Li-hong1, XU Zhi2, ZHANG Yuan-fu1, YANG Li-min1, ZHANG Li1, WANG Fan1, WU Jin-guang1* 1. The State Key Laboratory of Rare Earth Materials and Applications, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, China 2. Department of surgery, Third hospital, Peking University, Beijing 100083, China In our previous study, we have demonstrated that the malignant tissues can be distinguished from the normal tissues using FT-Mid-IR methods. In present investigation, we are successful to realize the detection of the tumor tissues, such as stomach, liver, gallbladder, etc. in vivo and in situ. The consents of patients were obtained. This non-invasive measurement was performed during surgeon operation process of Third Hospital, Peking University using a mid-IR Fiber Optics (Thermo Nicolet Corporation) with the modified WQF-500 FT-IR Spectrometer of Beijing Second Optical Instrument Factory. The FT-IR spectra of various tissues were acquired when an ATR probe linked to the FT-IR Spectrometer. The probe was pressed on the surface of tissues. Experimental results demonstrated that the spectral features of normal and malignant tissues with blood supplement are similar to those obtained from our previous in-vitro measurement. The FT-IR analysis results are in agreements with biopsy. Keywords Mid-infrared optical fiber; FT-IR; Tumor; in vivo and in situ detection 4