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傅立叶变换红外光谱在癌症诊断中的应用进展

2024-07-26 来源:步旅网
现代仪器(www.moderninstrs.org.cn) 傅立叶变换红外光谱在癌症诊断中的应用进展 王绪明。王静怀 王旭东 刘蜡娥 (1.总后勤部卫生部药品仪器检验所北京 1 00071) (2.中国医学科学院肿瘤医院放疗科北京100021) (3。解放军第163医院长沙410003) (4.解放军海军第425医院 三亚572000) 橘要本文综述近年来傅立叶变换红外光谱(FTIR)在癌症诊断中的应用进展。叙述 FTIR在乳腺癌、宫颈癌、肺癌、肠癌、甲状腺癌、胃癌、胆囊癌、鼻咽癌、食道癌等 诊断中的应用。为癌症临床的诊断和防治提供参考。 关键词傅立叶变换红外光谱应用 癌症诊断 世界卫生组织在“世界健康状况”报告中指 除靠医生的经验外,最后确诊是靠病理切片。而 出,癌症和心脏病等慢性病每年夺去2400多万人 用红外光谱检测,则可提高到分子结构层次的诊 的生命[1】,其中癌症每年导致630万人死亡,我国 断水平。Wong【 指出,正常组织和结肠癌组织在 卫生部统计每年有135.59/10万人死亡。美国癌症 1000~1350/cm范围内明显不同。显示各种核酸、 协会公布:2007年全球有670万人死于各种癌症【2】。 蛋白质、脂类和细胞膜内都有不同程度的变化。而 韩巧[3 根据WHO报告全球每年新增癌症病人900 在1148~1184/cm范围,随着病变组织的扩大,其 万,预计2020年将达到2000万。如尽早采取防控 吸收峰向高频率位移,据此可对结肠癌及其病变过 措施,则1/3的癌症可以预防。 程进行诊断。Yang LM等 采用FTIR法与中红外 目前癌症临床诊断主要靠病理解剖和组织细胞 光纤及ATR探头联用,首次发现肿瘤组织在体原 学,但往往受经验和主观性所限。鉴于癌细胞系由肌 位检测。检测的肠癌原位在体光谱与离体组织光谱 体内正常细胞转化而来,而人体各组织和细胞均由蛋 相似。这一创新结果表明,中红外光纤与红外光谱 白质、核酸、脂质和糖类等生物分子组成,只是它们 联用可能发展成一种外科手术中无损、快速、准确 在不同组织和细胞内的构型、构象以及各种成分构成 的在体检测方法。 比例不同。由于细胞和组织的红外光谱能反映出蛋白 1.2乳腺癌的诊断 质、核酸、脂质和糖类分子在细胞内的含量、构型、 LING XF等 应用FTIR对乳腺癌的临床诊断 构象及其所发生的变化,因此,红外光谱能在分子水 进行探索,结果发现乳腺癌组织的红外光谱与正常 平上揭示正常组织和癌组织存在的差异,有可能发展 乳腺组织之间存在明显差异。这对乳腺癌的临床诊 成癌症简便、快速、准确的诊断方法[4】。 断和防治有着十分美好的前景。Wong[j川对20例 我国应用红外光谱诊断癌症方面取得可喜的成 乳腺癌患者肿瘤组织样品的红外光谱分析,亦曾发 果[5I6】,通过2000多临床病例,测量收集10000多 现乳腺癌组织与乳腺良性病变组织之间有较大的差 张红外光谱(包括食道、胃、肠、肝、胆囊、肾、肺、 别,前者的红外光谱中磷酸二酯基的反对称伸缩 黑色素瘤、舌、颌下腺、腮腺、甲状腺和乳腺等), 振动向短波方向移动72/cm,其对称伸缩振动移动 发现肿瘤和正常组织的红外光谱明显不同,经过对 13/cm。Rigas[1I]研究乳腺癌组织中蛋白质与核酸 测定数据的归纳整理,分析比较建立的肿瘤诊断新 分子氢键的特征认为,氢键是维系和促进蛋白质和 方法可在3-5min内得到明确的诊断,而冰冻切片 核酸高级结构的重要作用力。癌变时氢键的变化与 病理法需30min。 癌细胞的特殊生物学行为密切相关,因此有可能利 1红外光谱对各种癌症的诊断 用氢键的这些光谱特征作为乳腺癌诊断和预测癌变 可能性的指标。范世杰[】 】发现乳腺癌患者细胞膜 1.1结肠癌的诊断 的红外光谱中A1173/Al163比值增加;Al025/A1o82比值 目前结肠癌的诊断主要靠光纤内窥镜,也就 下降。CH 不对称振动及对称振动频率减弱,CH, 是人们常说的“肠镜”。在内窥镜检查的过程中, 对称及不对称振动频率增强,根据这些特征可诊断 8 缘述与专论 早期乳腺癌。 孙雷明等[2伽应用FTIR法对肺癌及肺癌正常组 织粉末样品进行分析。结果表明:肺癌组织和肺癌 于舸等[1 采用ATR.FTIR对38例人乳腺良、 恶性舯瘤的对比,发现它们的红外光谱有明显的差 异。反映蛋白质、核酸和脂质等大分子的构型和构 象含量上的差别。表明可以从分子水平上揭示它们 的分子结构信息,作为临床原位诊断的新方法。霍 红等【1卅通过33例不同年龄正常良性肿瘤组织及乳 正常组织表现出较大的差异性。N.H峰在肺癌组织 中向低波数频移,1536/cm处蛋白质酰胺II与l169/ C1TI处蛋白质分子C.OH伸缩谱带在肺癌组织中相高 波数频移;CH2和CH 的相对强度比值I 4/I:。,:及 12。 9/I 。在正常组织中要比肺癌组织中的明显减小。 腺癌组织样品的红外光谱测定。发现它们红外光谱 肺癌组织中的核酸分子磷酸二脂基团PO:一对称振动 最明显的差别在于膦酰化蛋白的含量增加和癌细胞 内DNA被大量复制。后经进一步对75例女性良、 恶乳腺肿瘤及正常乳腺组织FTIR的研究,发现它 们存在明显而有规律的光谱差异。这反映组织中核 酸、脂类等生物分子的构型、构象和相对分子量上 的差别。因此,极有可能发展为一种肿瘤的诊断方 法。范晓燕等 5]对乳腺组织中核酸的FTIR光谱 去卷光谱和数据分析,可以看出正常组织、良性组 织和癌组织在蛋白质、核酸和糖含量方面的差异; 同时也研究未提取和提取核酸的乳腺组织中蛋白质 和有关基团的变化。为从分子生物学和生物医学的 角度研究癌变机理提供依据。 1.3宫颈癌的诊断 宫颈组织的细胞经处理后,做红外光谱分析, 同时作染色对比,结果发现正常宫颈组织和宫颈癌 组织的红外光谱明显不同。前者1025/cm和1155/ cm处吸收带为糖原分子中c.0对称和非对称振动。 宫颈癌组织的1 155/cm吸收带强度明显减弱,说明 糖原含量下降;1082/cm核酸的吸收带强度增强, 说明宫颈癌组织中核酸含量有所增加;核酸分子内 的磷酸二酯基团的非对称振动1244/cm吸收带亦明 显增加。970/cm处的吸收带为宫颈癌的特征。根据 上述红外光谱的比较即可诊断是否患有宫颈癌?可 分析不同时期病变组织的红外光谱,以诊断患者病 情发展情况(正常一微小的病理变化一恶性期)为 治疗提供参考 ,"】。韩伟等 曾分析1000多例宫 颈癌的FTIR光谱,在此基础上又对50例宫颈癌患 者样品进行测定,并与中国医学科学院肿瘤研究所 的病理结果做对照。结果两者基本一致。刘金绪等n 采用FTIR ̄对正常人细胞和1000多肿瘤患者的细胞 进行对比研究。结果发现正常的和宫颈癌细胞的红 外光谱存在明显差别。特别是在1000~1350/cm范围 内的吸收带位置、强度及形状,差别尤为显著。本 法简便、快速、客观、准确率高,能在分子层次上 作出判断。为早期宫颈癌的诊断展现良好前景。 1.4肺癌的诊断 的相对强度明显增强。正常组织中脂类分子弯曲振 动谱带的相对强度明显强于甲基变形振动谱带的相 对强度。而在肺癌组织中这两处吸收带的强度基本 相等。说明FTIR法可以用于良性、恶性肺癌组织 进行鉴别诊断。有望于肺癌快速诊断的新方法。张 晓冬等【2u应用FTIR技术对l5例肺癌及其癌旁正 常组织进行测定。结果说明:正常组织和肺癌组织 的FTIR光谱存在着显著差异。主要集中在磷酸单 脂和二脂基团膜脂质末端甲基和亚甲基振动,蛋白 质酰胺II带和酰胺I带及蛋白质分子中丝氨酸、苏 氨酸、氨酸残基的C—O(H)振动等。实验结果说明 FTIR技术可以成为诊断肺癌的一种新方法。 1.5甲状腺癌、食道癌、鼻咽癌、胃癌、胆囊癌 的诊断 刘仁明等[2 通过对甲状腺癌组织及癌旁正常 组织的红外光谱研究,发现(1)970/cm附近的 吸收带,在癌组织中相对强度增加;(2)1165/cm 附近的吸收带几乎消失;(3)正常甲状腺组织中 1084/cm和1239/cm的吸收带,在癌变组织中频移 至1081/cm和1239/cm处,且强度有所增加。上述 结果表明:在癌组织中磷酰化蛋白与核酸含量相对 增高,氨基酸残基的C.O(H)氢键被破坏,DNA 含量增加与构象改变。这些差异与特性从分子水平 上揭示甲状腺癌组织的特征。为实现甲状腺癌的早 期诊断提供依据。 董义平等[23】研究9例食道癌与相应正常组织 的红外光谱。从光谱参数(形状、频率、强度等) 方面进行分析。结果表明:癌组织与正常组织样品 的红外光谱存在明显差异。人体组织样品的主要成 分是核酸(DNA,RNA)、蛋白质、脂类、碳水化 合物等。由于癌变前后细胞组织中分子的结构、构 象含量等发生变化,从而引起振动谱带的变化。作 者着重讨论核酸中磷酸二脂基对称和反对称振动, 膜脂中CH2、CH3的伸缩及弯曲振动,蛋白质中c—O 及伸缩振动峰的变化。从氢键角度以及膜脂碳氢排 列和构象变化角度分析变化的原因。因此,FTIR 9 现代仪嚣(www.moderninstrs.org.cn) 可从分子上研究癌变机理,为将来分子水平诊断 癌、食道癌、鼻咽癌、胃癌等红外光谱的特征。依 据这些特征可以鉴别各种癌症。有的作为成果已在 癌症提供可能。汪红艳等[2 】应用FTIR对正常人、 食道癌患者、食道癌术后5个月者的指甲进行研究。 结果三者指甲的红外光谱均有差别,这些差别是应 北京进行鉴定[29,30]。可以说取得可喜的成就。但本 文作者亦认为,本法作为定性诊断可取,作为鉴别 尚需进一步完善,应与临床其他手段结合,以得出 用红外光谱早期和快速诊断食道癌的基础。 董勤等[2 研究20例正常人和3例鼻咽癌患者 更加正确的结论。 手指甲的红外光谱。结果表明:癌指甲样品与正常 参考文献 指甲样品的红外光谱在峰形、强度、频率等方面存 1世界卫生组织.全世界及我国癌症,心脏病死亡人数统计 在明显差异。其特点是酰胺II峰形的变化,即裂 为2个小峰,在874/cm处有一个中等强度的、较 尖的吸收峰。其次,在700-400/cm范围出现5个 较弱的小峰。其它变化:(1)PO,‘的Vas和Vs波 数下降。(2)患者指甲角蛋白中CH:的Vas和Vs 波数下降、膜脂CH的变形振动向高波数移动,强 度有所增强。(3)C.0 Vs的变化,癌变对指甲结 构中氢键的影响等。由于指甲取样方便,操作简单, 可研究各种不同癌症指甲样品的红外光谱。建立谱 库,对于癌症的诊断有重要意义。 徐怡庄等[26】采用中红外光纤衰减全反射光谱 法,研究90个胃组织样品的红外光谱。其中包括 32个正常样品和58个肿瘤样品。肿瘤光谱的特征 通常表现在CH和C=O峰的消失,酰胺I带和接 近1450/cm弱的酰胺II带向低波数位移。1450/cm 峰强度下降并一般弱于1400/cm峰。减谱结果表明: 正常和肿瘤组织的酰胺I带和酰胺II带,在峰位和 相对强度方面有着较大的差别。表明红外光纤技术 可以区分正常组织和肿瘤组织。实现肿瘤在体原位 检测。在手术旁对新鲜离体样品以及手术过程中在 体原位检测结果与体外液氮冰冻样品和病理检测结 论一致。这一新成果成为临床应用的基础。 孙学军等口 应用FTIR对体外培养胆囊癌细胞、 细胞核进行检测,对照胆囊癌组织的光谱特征,研 究胆囊癌细胞株及细胞核的光谱表现,结果发现胆 囊癌细胞株红外光谱特征与相应癌组织光谱特征存 在异同。为红外光谱法定性诊断胆囊癌提供细胞学 基础。王健生等[2引胆囊炎症与癌组织细胞上大分 子红外光谱存在不同,因次,能对癌细胞早期生物 大分子改变做出客观反映。徐怡生等露卅报道应用 FTIR.ATR和减法光谱技术诊断胆囊癌,特异性好、 准确率高,是一种快速无创检测胆囊癌的新方法。 2结语 本文综述近年来FTIR在癌症诊断上的应用进 展。分析结肠癌、乳腺癌、宫颈癌、肺癌、甲状腺 10 [N],中国青年报(三版),1998,2,l1 2参考消息(7版),2007,12,19 3韩巧,http:www.cnki.net 2006 4吴瑾光主编.近代傅立叶变换红外光谱技术及应用,北京: 科学技术文献出版社,1994 5中国分析测试协会.科研成果发布会[N】,中国分析测试协 会简报,2004,7:20 6 www.1assky.com/data/04/07/news 2007,4 7 Wong PPT.Diagnosis Colon Cancer by Infrared Spectros— metry[J],App1.Specrtoscopy.1991,45:1563 8 Yang LM,et al,The Application of Mid-IR fiberoptiesto diagnosis of Colon Cancer in vivo and in situ[J],Spectro- scopy nad spectral analysis,2003,23(5):883 9 Ling XF etal,FTIR Spectroscopy Exploration of Clinical Practice of Brest Cancer[J],Specsrtoscopy and Spectral Analysis,2005, (25):198 10 Wong PPT.Diagnosis of Brest Cancer by Infrared Spectros・ metry[J],Exm.Mo1.Path.1 992,5:269 1 1 Riga B,Study on hydrogen bond characteristic of protein ,nucleic acid in berast cancer by infrared spectrometry[J], Cancer Res.1992,25:84 12范世杰,刘炳玉,李清等.人乳腺癌组织的特征红外光谱 研究【J],光谱学与光谱分析,2000,20(1):28 13 YU Ge,LV,Shuhua XU Jialin,Investigation of human breast tumors tissues with ATR—FTIR spectroscophy inVitro. 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Key words Fourier trasform infrared spectroscopy Application Diagnosis Cancer (上接第3页) technique in patients with chronic spinal cord injury:CD34+ 1 9 Voigt JU.Ultrasound molecular imaging.Methods.2009, cells’migration into the injured site.Stem Cells Dev.2007, 16(3):461--466 1 7 Jaffer FA,Libby Weissleder R.Optical and multimodality molecular imaging:Insights into atherosclerosis.Arterioscler 48(2):92-97 20 Leong-Poi H,Christiansen J,Heppner et a1.Assessment of endogenous and therapeutic arteriogenesis by contrast ultrasound molecular imaging of integrin expression. Thromb Vase Bio1.2009,29(7):1017-1024 Circulation.2005,l ll(24):3248 ̄3254 1 8 Lowik Cw,Kaijzel E,Que I,et a1.Whole body optical imaging in small animals and its translation to the clinic:2 1 Hauff P'Reinhardt M,Briel A,et a1.Molecular Targeting of Lymph Nodes wih L・t-Selectin Ligand・-speciic US Contfrast intra-operative imaging guided sugery.Eur J Cancer.2009. Agent:A Feasibility Study in Mice and Dogs.Radiology. 45(Supp1.1):391-393 2004,23 1(3):667 ̄673 Application of molecular imaging in translational medicine 胁Chenxi Zhu Zhaohui* (PET center,Department ofNuclear Medicne,Peking Union Medical College Hospital,Chinese Academy of Medical Science&Peking Union Medical College(Medical School ofTsing Hua University),Beijing 1 00730) Abstract Translational medicine is a pioneering and hot ifeld in the realm of medical science.It aims at estab. 1ishing a direct pathway from basic science to clinical practice nd aa bridge from bench to bedside.During a medi— cal tranlation precedure,moleculr aimaging might be an important method or technique to be used.It can detect a disease by showing a cell-level or molecular-level change at early stage,which is usually long before an anatomi— cal change appears。Moleculr iamaging not only holds a promice for early diagnosis of a disease,but also gives a hope for personalized medicine.Moreover,it can make a tremendous contribution to drug development.This article summarized the concept,characteristics,and current development in quo of both translational medicine and molecular imaging.Their combination will make both challenges and opportunities in the related ifelds. Key words Translational medicine Moleculr aimaging 

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