拉曼光谱仪应用｜实现对乳腺癌血清标志物的快速筛查

01 研究背景

乳腺癌是女性发病率最高的恶性肿瘤之一，早期发现、早期治疗是改善预后、降低死亡率的关键。目前临床乳腺癌筛查主要依赖乳腺超声、钼靶X线摄影、磁共振成像（MRI）等影像学手段，但这些方法各有局限：钼靶X线在致密型乳腺中灵敏度明显下降，MRI特异性较低、费用较高，超声分辨率有限。影像学检查发现的可疑肿块，最终仍需依靠有创的穿刺活检及病理组织学检查来确诊，而约70%-90%接受穿刺的患者最终被诊断为良性病变，承受了不必要的创伤和心理负担。

拉曼光谱是一种基于分子振动的检测技术，能够提供反映生物分子化学结构的"分子指纹"信息。血清作为人体内环境的重要组成部分，主要含有水、糖类、蛋白质、磷脂等成分，其拉曼信号强度显著高于水本身。当机体发生肿瘤病变时，细胞凋亡、免疫异常等病理过程会导致血清中多种生物分子的组成和含量发生改变，这些变化可以直接反映在血清拉曼光谱的特征峰强度上。

本研究采集了333例受试者的血清样本，采用拉曼光谱技术对乳腺癌患者、良性病变患者及健康人群的血清进行了检测，探索了拉曼光谱在乳腺癌快速筛查中的应用价值。

02 实验方法

研究共纳入333名受试者，其中乳腺癌患者129例，良性病变患者91例，健康对照113例，所有病理诊断均以穿刺活检结果为金标准。受试者在禁食8小时后于清晨采集空腹静脉血2 mL，离心分离获得血清，置于-80℃保存待测。

拉曼光谱检测参数： 采用785 nm单模半导体激光器作为激发光源，激光功率约70 mW，通过光纤将激光传输至比色皿夹持装置，样品置于比色皿中进行检测，检测波长范围200-2000 cm⁻¹。检测前使用氖灯进行波长校准，并用无水乙醇测量3秒获取光谱进行波数校准。每份血清样本重复扫描10次，取平均光谱用于后续分析，全程在避光环境下由同一操作人员完成检测。

03 结果与讨论

3.1 血清拉曼光谱在多个特征峰位呈现组间差异

对333份血清样本的拉曼光谱进行分析，乳腺癌组、良性病变组与健康对照组之间在多个特征峰位存在显著差异，主要包括784、835、925、986、989、1002、1020、1056、1114、1127、1139、1285、1295、1346、1367、1437、1531及1650 cm⁻¹等谱峰。这些谱峰分别对应核酸、氨基酸、脂类、蛋白质等不同生物分子的特征振动模式。

图1 良性病变组(A)、健康对照组(B)、乳腺癌组(C)血清样本的平均归一化拉曼光谱对比

3.2 特征峰强度变化与肿瘤病理过程直接相关

· 784 cm⁻¹（胞嘧啶，核酸组分）：乳腺癌组该峰强度高于对照组，可能与肿瘤进展过程中细胞坏死、凋亡导致血液中核酸及循环DNA积累有关

· 835、986、989、1002 cm⁻¹（酪氨酸、脯氨酸、色氨酸、苯丙氨酸等氨基酸）：乳腺癌组这些峰强度低于对照组，反映肿瘤细胞快速增殖过程中对氨基酸的消耗增加，导致血清游离氨基酸浓度下降

· 1020、1367 cm⁻¹（色氨酸）及1056 cm⁻¹（谷氨酸）：乳腺癌组这些峰强度升高，提示患者体内游离色氨酸及谷氨酸水平上升

· 1114 cm⁻¹（脂类C-C伸缩振动）：乳腺癌组该峰强度增强

· 1531 cm⁻¹（类胡萝卜素，主要为β-胡萝卜素）：结合既往研究，乳腺癌患者常伴随氧化应激增强、抗氧化能力下降，血清β-胡萝卜素水平相应降低

· 1650 cm⁻¹（酰胺I带α-螺旋）及1285 cm⁻¹（酰胺III带α-螺旋）：乳腺癌组这两处峰强度相对降低，提示蛋白质主链空间结构可能发生改变，有序构象减少、无序构象增加

表1 血清拉曼光谱主要特征峰位置及其生物分子归属

3.3 三组血清光谱的整体轮廓存在明显区分

对比乳腺癌组、良性病变组与健康对照组的平均归一化光谱可以看出，健康对照组与乳腺癌组、良性病变组之间的光谱差异较为明显；而乳腺癌组与良性病变组的光谱轮廓较为接近，部分特征峰强度变化趋势相似，这与两类患者血清中部分生物分子组成存在共性有关。

图2 组间光谱差异对比：(A) 乳腺癌组vs健康对照组；(B) 乳腺癌组vs良性病变组；(C) 良性病变组vs健康对照组

3.4 基于光谱特征峰的分类模型验证了检测效果

在光谱特征峰识别的基础上，研究进一步结合分类算法对三组样本进行区分，总体准确率达到98%，其中129例乳腺癌样本中仅3±1例被误判为良性、5±2例被误判为正常；91例良性样本中8±2例被误分类；113例正常对照样本中8±3例被误分类。该结果验证了血清拉曼光谱特征峰确实携带了可用于区分健康、良性、恶性状态的有效信息。

图3 分类模型对乳腺癌、良性病变、健康对照三组样本的分类结果及ROC曲线，总体准确率98%

04 结论

本研究表明，血清拉曼光谱技术能够通过检测多个特征峰强度的变化，反映乳腺癌患者血清中核酸、氨基酸、脂类、蛋白质及类胡萝卜素等生物分子组成的改变。这些特征峰强度的变化与肿瘤细胞增殖、凋亡、代谢及氧化应激等病理生理过程密切相关，为乳腺癌的快速筛查提供了直接的光谱学证据。该方法仅需2-3 mL血液即可完成检测，无需特殊染色或复杂样品前处理，为基层医疗机构开展乳腺癌辅助筛查提供了一种快速、经济、易于推广的技术手段。

05 文章来源

06 产品推荐

上述研究中血清拉曼光谱检测所需的核心能力——785 nm精准激发、光纤远距离信号传输、宽波段特征峰识别——如海光电拉曼Portman光谱仪均可实现：

· 提供785 nm激发波长选配，与本研究实验条件完全一致；785 nm属于近红外波段，相比可见光波段能有效降低血清等生物样本的荧光背景干扰，更适合此类复杂生物基质样本的拉曼检测

· 配备光纤探头，可将激光远距离传输至比色皿夹持装置，实现样本的非接触式便捷检测，无需显微镜耦合，操作简便

· 光谱检测范围可完整覆盖本研究784-1650 cm⁻¹的全部特征峰区间。激光功率可调节，可根据血清样本浓度灵活设定激发强度，兼顾信号强度与样本安全性

无论是血清生物标志物快速筛查、肿瘤辅助诊断，还是其他体液样本的拉曼光谱表征，如海拉曼光谱仪均可提供稳定可靠的生物医疗检测解决方案。