2023年04月28日发布 | 1168阅读

【研究进展】拉曼光谱在脑胶质瘤分级及边界确定中的应用研究

余新光

中国人民解放军总医院第一医学中心

通讯作者:周岩、余新光
作者单位:中国人民解放军总医院第一医学中心神经外科


[REF:Zhang L, Zhou Y, Wu BL, et al. A Handheld Visible Resonance Raman Analyzer Used in Intraoperative Detection of Human Glioma. Cancers. 2023, 15(6), 1752. doi: https://doi.org/10.3390/cancers15061752.] https://www.mdpi.com/2072-6694/15/6/1752


解放军总医院第一医学中心神经外科医学部余新光教授等应用便携式拉曼光谱仪对脑胶质瘤分级及边界确定进行研究,结果发表在《Cancers》上。


研究背景
胶质瘤治疗效果较差,切除程度和准确的分级仍是影响胶质瘤患者预后的最重要因素。但胶质瘤多呈浸润性生长,肿瘤色泽、质地与周围正常脑组织界限并不明显,肉眼下胶质瘤边界的确定非常困难。针对胶质瘤术中边界的判定及术中快速诊断的研究具有重要的临床意义。


拉曼光谱这一新的光学活检技术,可提供分子水平的“指纹式图谱”,为肿瘤的诊断提供有力的依据。周岩主任在国内神经外科最早与美国团队合作,依据共振拉曼光谱(532nm激发波长)原理自主研发出便携式拉曼光谱仪LRR2000。本研究基于团队前期研究结果,利用LRR2000对新鲜胶质瘤标本进行床旁测试,研究脑组织及不同级别胶质瘤的拉曼光谱。


研究方法

本研究在导航定位下留取新鲜脑胶质瘤离体标本,立即应用LRR2000测试。共收集52例患者胶质瘤的2220个拉曼光谱,其中WHO 1级(毛细胞型星形细胞瘤)1例(15个光谱),WHO 2级胶质瘤7例(359个光谱),WHO 3级胶质瘤17例(717个光谱),胶质母细胞瘤及弥漫中线胶质瘤(WHO 4级)27例(1103个光谱),胶质瘤边界及正常脑组织26个光谱。


研究结果

1)蛋白/脂类的比值,即R1=1584/1442cm-1和R2=2934/2885cm-1,随着胶质瘤级别升高呈上升趋势,为胶质瘤分级的主要依据。表明脂类的1442cm-1的疏水键在高级别胶质瘤中变的更弱,而1584cm-1处的蛋白(主要来源于色氨酸、线粒体、血红蛋白和核酸)共振指纹随着胶质瘤级别升高而升高;后者代表-CH3/-CH2变化,反应不同级别胶质瘤演进过程中饱和脂肪酸和蛋白的成分和组成的变化(图1)。2)类胡萝卜素的RR峰1157和1517cm-1出现在胶质瘤边界,但在2-4级胶质瘤中急剧减小,表明类胡萝卜素的含量逐渐降低,可用以区分胶质瘤边界。3)3174cm-1(代表酰胺A)和3224cm-1(代表酰胺B)处的费米共振主要出现在高级别胶质瘤。4)3058cm-1处的色氨酸分子指纹随着胶质瘤级别升高而逐渐下降(图2)。


图1.不同级别胶质瘤中R1=1584/1442cm-1和R2=2934/2885cm-1比值变化趋势图


图2.不同组织及胶质瘤光谱图:(a)正常/胶质瘤边界光谱图,(b)WHO 4级胶质瘤光谱图,(c)色氨酸粉末光谱图,(d)不同级别胶质瘤在3058cm-1拉曼位移(代表色氨酸)处的比值


5)应用主成分分析-支持向量机(PCA-SVM)进行统计学分析,对非胶质瘤组织及不同级别胶质瘤进行分类的准确性达80%以上(图3)。


图3.应用峰值(peaks)及主成分(PCs)进行统计学分析:(a,c)正常组织与2级胶质瘤对比;(e)正常组织与3级胶质瘤对比;(g)正常组织与4级胶质瘤对比;(b,d,f,h)为对应的留一交叉验证(LOOCV)ROC曲线


研究结论

便携式拉曼光谱仪显示了良好的区分胶质瘤边界及不同胶质瘤的能力,未来需进一步建立胶质瘤及正常脑组织拉曼光谱数据库和生物表征,探索拉曼光谱鉴别脑胶质瘤边界的能力、对胶质瘤分级能力。提高术中胶质瘤诊断速度,为胶质瘤术中快速诊断和手术方案提供参考。


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作者简介




余新光 教授

解放军总医院



解放军总医院神经外科医学部,神经外科研究所所长

全军神经外科专业委员会主任委员

中华医学会神经外科学分会委员兼神经脊柱学组组长

曾任中国医师协会神经外科医师分会副会长

中国研究型医院学会脑功能研究与转化专业委员会主任委员

中国人工智能学会脑科学与人工智能专业委员会副主任委员

中国认知学会常务理事

以第一完成人获得军队科技进步一等奖,与清华大学合作荣获国家科技进步一等奖。现主持国家重点研发计划“重大出生缺陷三级防治示范建立应用与评价”、多项国家自然科学基金

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