ACS Nano：縫隙增強拉曼探針用于術中殘留微小腫瘤灶的檢測和根除

【引言】????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

盡管外科手術技術方面不斷發展，但準確診斷并完全消除微小腫瘤的手術技術的發展仍然是一個巨大的挑戰。目前的臨床策略主要依賴于成像技術，如正電子發射斷層掃描（PET）和磁共振成像（MRI），可實現術前腫瘤位置的確定。然而，由于手術期間組織移位，腫瘤的術前圖像通常與實際位置不一致，導致腫瘤切除不夠準確。因而，無法在術中診斷和消除微小殘留腫瘤是癌癥手術中的一大難題。這些殘留的微小腫瘤灶通常是引起致死性復發和轉移的主要原因，尋找更精準的術中腫瘤成像技術和成像技術引導下的手術切除成為現階段研究的熱點和重點。

【成果簡介】

近日，上海交通大學醫學院的肖澤宇教授和生物醫學工程學院的葉堅教授團隊合作在ACS Nano 雜志在線發表了一篇題為“Intraoperative Detection and Eradication of Residual Microtumors with Gap-Enhanced Raman Tags”的文章，本文展示了一種利用縫隙增強拉曼探針作為術中檢測和根除殘留微小腫瘤病灶的治療策略。研究表明，采用納米金核殼結構的縫隙增強，拉曼報告分子嵌入納米金內部縫隙得到該納米結構，通過785 nm低能量激光產生高靈敏度和高光穩定的拉曼信號，用于微腫瘤檢測；切換808 nm高功率激光時產生光熱消融的熱療效果。在原位前列腺轉移腫瘤模型中，縫隙增強拉曼探針的系統遞送使得能夠在術中對殘余微小腫瘤進行精確成像，并利用實時消融治療惡性病變而不損傷正常組織，這些結果表明，診療一體化縫隙拉曼納米探針可以精確檢測微小腫瘤灶，并根除殘留的微小腫瘤灶，從而拓寬了拉曼成像在診療一體化精準醫學中的應用。

【圖文導讀】

圖1. 縫隙增強拉曼探針用于殘留微小腫瘤的術中診斷和根除的示意圖

手術前通過尾靜脈將拉曼納米探針注射到小鼠體內，確保其在腫瘤組織有足夠的富集。在切除完大部分肉眼可見的腫瘤后，操作者利用785 nm激光激發產生的拉曼信號用于檢測殘余腫瘤部位，然后利用808 nm激光來根除殘留的微小腫瘤。

圖2. 縫隙增強拉曼探針的表征

A）拉曼探針的示意圖和透射電鏡照片

B）拉曼探針的粒徑分布；

C）拉曼探針在連續60 min的激光輻射下的SERS光譜的光穩定性評價;

D） 在100%胎牛血清中培養96小時的拉曼探針拉曼強度的測定；

E） 在瓊脂膠中檢測拉曼探針的檢測限；

F） 利用體外腫瘤對拉曼探針成像的穿透深度進行檢測；

圖3.利用縫隙增強拉曼探針描繪腫瘤細胞的輪廓

圖中彩色部分是GERTs在1555cm^-1處拉曼譜帶的信號，黑色箭頭表示拉曼譜帶。

圖4. 808 nm激光器下（3.6 W/cm²）縫隙增強拉曼探針體外光熱性能的表征

A） 連續180s激光照射下，水和縫隙增強拉曼探針的熱成像照片；

B） 連續180s激光照輻射下縫隙增強拉曼探針與水的溫度變化曲線；

C）拉曼探針在180s輻射后的溫度升高和隨后終止輻照而冷卻的曲線；

D） 通過分析C）中冷卻段的線性數據與驅動溫度的負自然對數得到的時間常數τ_s為113.5 s；

E）拉曼探針對PC3細胞存活率研究；

F） Calcein AM/PI對不同處理條件下的細胞活性的染色結果，（綠色：活細胞，紅色：死細胞）。

圖5. 縫隙增強拉曼探針的生物分布和腫瘤靶向拉曼成像

A） 注射20 h后縫隙增強拉曼探針的體內生物分布（ μg金/g組織）；

B） 切除腫瘤組織的拉曼成像；

C） 從第I和第II位置得到的拉曼光譜；

D） 從位置I得到的組織的H&E染色TEM照片，棕色箭頭表示腫瘤組織內存在縫隙增強拉曼探針。

圖6. 縫隙增強拉曼探針介導的手術切除過程

A） 用于拉曼成像術中引導光熱消融殘留微小腫瘤的納米平臺；

B） 原發性腫瘤手術切除后殘余微小腫瘤的術中拉曼成像，（黃線：原發腫瘤，白線：切除后的瘤床，箭頭1：拉曼成像表明切除后依然殘存的腫瘤組織，箭頭2：轉移到膀胱的微小腫瘤灶，箭頭3：正常膀胱組織的拉曼信號）；H&E染色證明拉曼信號陽性灶屬于微小腫瘤細胞的殘留；棕色箭頭：TEM表明縫隙增強拉曼探針存在于腫瘤組織內。

圖7.組織切片的拉曼成像

白線勾勒出正常組織與腫瘤交界處的分界線，組織切片的H&E染色及拉曼成像結果對應；區域N代表正常組織，區域T代表腫瘤部分，拉曼成像表明拉曼探針存在于腫瘤組織而不存在于正常組織。

圖8.術中根除殘余微腫瘤

A） 大體積腫瘤切除后荷瘤小鼠在拉曼成像引導下殘存腫瘤進行激光照射的熱成像圖片；

B） 生物發光監測不同處理組腫瘤生長情況（三組，每組5只老鼠），PBS組，標準手術組，標準手術+術中拉曼介導腫瘤消融組；

C） 根據生物發光成像對不同處理組小鼠腫瘤生長情況的定量；

D） 不同處理組小鼠體重；

E） 三組不同處理組的動物存活曲線；

F） 主要器官的H&E染色分析，黑色箭頭：肝臟內的轉移灶，PBS組的脾臟有嚴重的炎癥反應。

【小結】

該研究報道了一種利用縫隙增強拉曼探針進行拉曼成像的手段，可以實現術中殘留小腫瘤的實時檢測和根除。研究結果表明縫隙增強拉曼探針可以明確發現并排除浸潤性腫瘤邊緣和顯微衛星轉移灶，從而實現腫瘤的完全切除。另外，該研究提出的術中腫瘤消融策略還可以減少術后腫瘤向肝臟的轉移情況。作者相信基于縫隙增強拉曼探針的殘存腫瘤的術中診斷和根除技術，可以開拓以SERS為基礎的拉曼技術在生物領域的應用。

文獻鏈接：Intraoperative Detection and Eradication of Residual Microtumors with Gap-Enhanced Raman Tags （ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b02681）

?【通訊作者及團隊簡介】

肖澤宇，博士，教授，博士生導師，上海市”東方學者”特聘教授（2014），中組部青年千人計劃獲得者（2014）。1999-2003北京大學醫學部，藥學學士；2003-2008中國科學院化學所與美國佛羅里達大學聯合培養，化學博士；2009-2014美國麻省理工學院與哈佛大學醫學院癌癥納米交叉研究中心Robert Langer實驗室從事博士后及研究科學家工作；2014年底加盟上海交通大學醫學院基礎醫學院轉化醫學協同創新中心任課題組長。研究領域為藥物輸送及分子影像，在相關領域權威期刊（Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Engl.,ACS Nano, PNAS, Anal Chem等）發表論文30余篇，引用大于2200次。所獲獎勵包括2013年哈佛年度生命科學領域杰出研究工作獎； 2011年美國癌癥研究協會癌癥研究中的女性青年學者獎；2008年中國化學會青年學者獎。自2015年回國獨立開展工作以來，圍繞(i)表面增強拉曼影像的活體生物醫學應用及(ii)口服結腸靶向的藥物遞送系統,以通訊作者在ACS Nano, Anal Chem等發表SCI論文7篇，主持3項國家自然科學基金。

葉堅，博士，上海交通大學教授，博士生導師，中組部“青年千人”計劃獲得者（2013），國家自然科學基金優秀青年基金項目獲得者（2016）。畢業于浙江大學高分子系（2000學士，2003碩士）和比利時魯汶大學化學系（2010，博士）。曾任英特爾產品（上海）有限公司材料工程師（2003-2005）、比利時微電子研究中心高級研究員（2010-2013）、美國Rice大學訪問學者（2011）。獲2009年比利時微電子研究中心（IMEC）科研卓越成就獎、2009年中國國家優秀自費留學生獎學金、2010年比利時研究基金會博士后研究員基金、2011年比利時研究基金會訪問學者基金。此研究成果是葉堅課題組在縫隙增強拉曼探針的生物醫學應用領域的又一進展。自2015年以來課題組已陸續在縫隙增強拉曼探針的合成調控（Chemical Communications，2015）、增強機理研究（Nano Letters，2015；ACS Nano，2018）、分子層光學折射指數測量（Nanoscale, 2017）、超光穩定探針的合成和快速成像（ACS Applied Materials & Interfaces, 2017; RSC Advances，2018）等方面取得重大進展，同時也開展了基于縫隙增強拉曼探針的術中前哨淋巴結顯影（Biomaterials，2018）、術中拉曼檢測引導的熱化療協同治療晚期播散性卵巢癌（Small，2018）等相關醫學應用研究。

本文由材料人編輯部南渡編譯，點我加入材料人編輯部。

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