ACS Nano：缝隙增强拉曼探针用于术中残留微小肿瘤灶的检测和根除

【引言】

尽管外科手术技术方面不断发展，但准确诊断并完全消除微小肿瘤的手术技术的发展仍然是一个巨大的挑战。目前的临床策略主要依赖于成像技术，如正电子发射断层扫描（PET）和磁共振成像（MRI），可实现术前肿瘤位置的确定。然而，由于手术期间组织移位，肿瘤的术前图像通常与实际位置不一致，导致肿瘤切除不够准确。因而，无法在术中诊断和消除微小残留肿瘤是癌症手术中的一大难题。这些残留的微小肿瘤灶通常是引起致死性复发和转移的主要原因，寻找更精准的术中肿瘤成像技术和成像技术引导下的手术切除成为现阶段研究的热点和重点。

【成果简介】

近日，上海交通大学医学院的肖泽宇教授和生物医学工程学院的叶坚教授团队合作在ACS Nano杂志在线发表了一篇题为“Intraoperative Detection and Eradication of Residual Microtumors with Gap-Enhanced Raman Tags”的文章，本文展示了一种利用缝隙增强拉曼探针作为术中检测和根除残留微小肿瘤病灶的治疗策略。研究表明，采用纳米金核壳结构的缝隙增强，拉曼报告分子嵌入纳米金内部缝隙得到该纳米结构，通过785 nm低能量激光产生高灵敏度和高光稳定的拉曼信号，用于微肿瘤检测；切换808 nm高功率激光时产生光热消融的热疗效果。在原位前列腺转移肿瘤模型中，缝隙增强拉曼探针的系统递送使得能够在术中对残余微小肿瘤进行精确成像，并利用实时消融治疗恶性病变而不损伤正常组织，这些结果表明，诊疗一体化缝隙拉曼纳米探针可以精确检测微小肿瘤灶，并根除残留的微小肿瘤灶，从而拓宽了拉曼成像在诊疗一体化精准医学中的应用。

【图文导读】

图1.缝隙增强拉曼探针用于残留微小肿瘤的术中诊断和根除的示意图

手术前通过尾静脉将拉曼纳米探针注射到小鼠体内，确保其在肿瘤组织有足够的富集。在切除完大部分肉眼可见的肿瘤后，操作者利用785 nm激光激发产生的拉曼信号用于检测残余肿瘤部位，然后利用808 nm激光来根除残留的微小肿瘤。

图2.缝隙增强拉曼探针的表征

A）拉曼探针的示意图和透射电镜照片

B）拉曼探针的粒径分布；

C）拉曼探针在连续60 min的激光辐射下的SERS光谱的光稳定性评价;

D） 在100%胎牛血清中培养96小时的拉曼探针拉曼强度的测定；

E） 在琼脂胶中检测拉曼探针的检测限；

F） 利用体外肿瘤对拉曼探针成像的穿透深度进行检测；

图3.利用缝隙增强拉曼探针描绘肿瘤细胞的轮廓

图中彩色部分是GERTs在1555cm^-1处拉曼谱带的信号，黑色箭头表示拉曼谱带。

图4.808 nm激光器下（3.6 W/cm²）缝隙增强拉曼探针体外光热性能的表征

A） 连续180s激光照射下，水和缝隙增强拉曼探针的热成像照片；

B） 连续180s激光照辐射下缝隙增强拉曼探针与水的温度变化曲线；

C）拉曼探针在180s辐射后的温度升高和随后终止辐照而冷却的曲线；

D） 通过分析C）中冷却段的线性数据与驱动温度的负自然对数得到的时间常数τ_s为113.5 s；

E）拉曼探针对PC3细胞存活率研究；

F） Calcein AM/PI对不同处理条件下的细胞活性的染色结果，（绿色：活细胞，红色：死细胞）。

图5.缝隙增强拉曼探针的生物分布和肿瘤靶向拉曼成像

A） 注射20 h后缝隙增强拉曼探针的体内生物分布（ μg金/g组织）；

B） 切除肿瘤组织的拉曼成像；

C） 从第I和第II位置得到的拉曼光谱；

D） 从位置I得到的组织的H&E染色TEM照片，棕色箭头表示肿瘤组织内存在缝隙增强拉曼探针。

图6.缝隙增强拉曼探针介导的手术切除过程

A） 用于拉曼成像术中引导光热消融残留微小肿瘤的纳米平台；

B） 原发性肿瘤手术切除后残余微小肿瘤的术中拉曼成像，（黄线：原发肿瘤，白线：切除后的瘤床，箭头1：拉曼成像表明切除后依然残存的肿瘤组织，箭头2：转移到膀胱的微小肿瘤灶，箭头3：正常膀胱组织的拉曼信号）；H&E染色证明拉曼信号阳性灶属于微小肿瘤细胞的残留；棕色箭头：TEM表明缝隙增强拉曼探针存在于肿瘤组织内。

图7.组织切片的拉曼成像

白线勾勒出正常组织与肿瘤交界处的分界线，组织切片的H&E染色及拉曼成像结果对应；区域N代表正常组织，区域T代表肿瘤部分，拉曼成像表明拉曼探针存在于肿瘤组织而不存在于正常组织。

图8.术中根除残余微肿瘤

A） 大体积肿瘤切除后荷瘤小鼠在拉曼成像引导下残存肿瘤进行激光照射的热成像图片；

B） 生物发光监测不同处理组肿瘤生长情况（三组，每组5只老鼠），PBS组，标准手术组，标准手术+术中拉曼介导肿瘤消融组；

C） 根据生物发光成像对不同处理组小鼠肿瘤生长情况的定量；

D） 不同处理组小鼠体重；

E） 三组不同处理组的动物存活曲线；

F） 主要器官的H&E染色分析，黑色箭头：肝脏内的转移灶，PBS组的脾脏有严重的炎症反应。

【小结】

该研究报道了一种利用缝隙增强拉曼探针进行拉曼成像的手段，可以实现术中残留小肿瘤的实时检测和根除。研究结果表明缝隙增强拉曼探针可以明确发现并排除浸润性肿瘤边缘和显微卫星转移灶，从而实现肿瘤的完全切除。另外，该研究提出的术中肿瘤消融策略还可以减少术后肿瘤向肝脏的转移情况。作者相信基于缝隙增强拉曼探针的残存肿瘤的术中诊断和根除技术，可以开拓以SERS为基础的拉曼技术在生物领域的应用。

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

【通讯作者及团队简介】

肖泽宇，博士，教授，博士生导师，上海市”东方学者”特聘教授（2014），中组部青年千人计划获得者（2014）。1999-2003北京大学医学部，药学学士；2003-2008中国科学院化学所与美国佛罗里达大学联合培养，化学博士；2009-2014美国麻省理工学院与哈佛大学医学院癌症纳米交叉研究中心Robert Langer实验室从事博士后及研究科学家工作；2014年底加盟上海交通大学医学院基础医学院转化医学协同创新中心任课题组长。研究领域为药物输送及分子影像，在相关领域权威期刊（Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Engl.,ACS Nano, PNAS, Anal Chem等）发表论文30余篇，引用大于2200次。所获奖励包括2013年哈佛年度生命科学领域杰出研究工作奖； 2011年美国癌症研究协会癌症研究中的女性青年学者奖；2008年中国化学会青年学者奖。自2015年回国独立开展工作以来，围绕(i)表面增强拉曼影像的活体生物医学应用及(ii)口服结肠靶向的药物递送系统,以通讯作者在ACS Nano, Anal Chem等发表SCI论文7篇，主持3项国家自然科学基金。

叶坚，博士，上海交通大学教授，博士生导师，中组部“青年千人”计划获得者（2013），国家自然科学基金优秀青年基金项目获得者（2016）。毕业于浙江大学高分子系（2000学士，2003硕士）和比利时鲁汶大学化学系（2010，博士）。曾任英特尔产品（上海）有限公司材料工程师（2003-2005）、比利时微电子研究中心高级研究员（2010-2013）、美国Rice大学访问学者（2011）。获2009年比利时微电子研究中心（IMEC）科研卓越成就奖、2009年中国国家优秀自费留学生奖学金、2010年比利时研究基金会博士后研究员基金、2011年比利时研究基金会访问学者基金。此研究成果是叶坚课题组在缝隙增强拉曼探针的生物医学应用领域的又一进展。自2015年以来课题组已陆续在缝隙增强拉曼探针的合成调控（Chemical Communications，2015）、增强机理研究（Nano Letters，2015；ACS Nano，2018）、分子层光学折射指数测量（Nanoscale, 2017）、超光稳定探针的合成和快速成像（ACS Applied Materials & Interfaces, 2017; RSC Advances，2018）等方面取得重大进展，同时也开展了基于缝隙增强拉曼探针的术中前哨淋巴结显影（Biomaterials，2018）、术中拉曼检测引导的热化疗协同治疗晚期播散性卵巢癌（Small，2018）等相关医学应用研究。

本文由材料人编辑部南渡编译，点我加入材料人编辑部。

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