科學家們開發了一種緊湊的拉曼成像系統，可以可靠地將癌組織與正常組織分開。該方法可以支持早期癌症檢測。並幫助將先進的分子成像工具從研究實驗室轉移到更實際的臨床環境中。
該成像系統旨在檢測來自表面增強拉曼散射（SERS）納米粒子的非常微弱的信號。它們被設計為附著於腫瘤標記物。當這些納米粒子應用於被檢查的樣本或區域時，系統讀取拉曼信號並自動突出顯示更有可能包含腫瘤組織的區域。
“與癌症相關的傳統診斷方法既耗時又費力。這是因為需要染色的組織樣本，並讓病理學家檢查是否有任何異常，”密歇根州立大學健康科學與定量工程 (IQ) 研究所的主要作者 Zhun Qiu 說。 “雖然我們的系統不會立即取代病理學，但該系統也可以作為快速篩查工具，加快診斷速度。”
已發表的結果顯示靈敏度顯著提高。
Qiu 及其同事在 Optica 出版集團旗下的高影響力研究期刊《Optica》中報告說，他們的系統可以區分癌細胞和健康細胞。同時，它檢測到的拉曼信號大約比同類商業系統測量的信號弱四倍。這種靈敏度的提高來自於將在分析過程中改變波長的掃頻源激光與稱為納米線超導單光子探測器 (SNSPD) 的超靈敏探測器相結合。
“這項技術最終可能使其便於攜帶或在手術中使用。這使醫生能夠在早期階段檢測到癌症。通過侵入性較小的測試提高活檢採樣的準確性並跟踪疾病進展，”Chiu 說。這些進步可以改善患者的治療效果。並減少診斷延誤這加快了從檢測到治療的進程。 ”
利用超導探測器突破探測極限
Qiu 的實驗室研究如何使用 SNSPD 來增強不同類型的成像技術。 SNSPD 依靠超導線來檢測單個光粒子。這使得系統能夠高速捕獲非常微弱的光信號。同時保持背景噪音非常低。
對於這個項目，研究人員的目標是創建一個平台，可以測量比現有拉曼系統檢測到的信號小得多的拉曼信號。拉曼成像的工作原理是通過分子獨特的光散射指紋來匹配樣品的化學成分。使用 SERS 納米顆粒可以增強這些信號。
“將這種先進的探測器與掃頻拉曼架構相結合，可以取代笨重的相機，並更有效地收集光線。因此，該系統比同類商業系統具有更好的檢測限，”Qiu 說。 “此外，光纖連接配置和緊湊設計有利於系統的小型化和未來的臨床轉化。”
多種樣本類型的腫瘤異質性
為了測試該系統，該團隊使用了塗有透明質酸的 SERS 納米顆粒。這使得顆粒能夠與 CD44 結合，CD44 是許多腫瘤細胞上發現的一種表面蛋白。使用簡單納米顆粒溶液的初步實驗表明，該系統可以達到飛摩爾級的靈敏度。然後研究人員使用成像平台培養乳腺癌細胞。小鼠腫瘤和健康組織樣本
“SERS 信號高度集中在腫瘤樣本中。在健康組織中僅檢測到少量背景，”Qiu 說。 “這證明了該系統具有出色的靈敏度，並且能夠可靠地區分腫瘤和健康組織。此外，通過修改或替換目標分子，該方法因此可以應用於其他類型的癌症。”
臨床使用的後續步驟
研究人員表示，該系統在臨床應用之前還需要進一步的工作。未來的改進將集中在提高數據讀取速度和擴大驗證研究。該團隊正在探索更快的激光源，包括 VCSEL，並測試縮小掃描範圍是否可以進一步提高性能。他們還計劃使用不同的納米粒子同時針對多個生物標誌物進行多重實驗。
研究人員感謝行業合作者 Quantum Opus，該公司提供了本研究中使用的 SNSPD 設備。
