宽带相干拉曼显微光谱技术在头颈癌超快速光谱病理诊断中的突破性应用

《Discover Imaging》：Broadband coherent Raman microspectroscopy for the investigation of head and neck cancer advancing ultrafast spectral histopathology

本研究针对头颈癌诊断中传统病理学方法耗时且依赖标记的局限性，开发了基于宽带相干反斯托克斯拉曼散射（BCARS）和宽带受激拉曼散射（BSRS）的超快速光谱成像技术。通过多患者组织样本验证，该技术实现了134微秒像素驻留时间的组织化学特异性成像，并结合人工智能模型达到62%的自动分类准确率。这项发表于《Discover Imaging》的研究为实时无标记病理诊断提供了新技术路径。

　　

在头颈癌的临床诊断中，病理学家至今仍主要依赖苏木精-伊红（H&E）染色的组织切片进行人工判读。这种传统方法不仅耗时长达数天，更因依赖主观经验而存在诊断一致性挑战。更棘手的是，癌症的精确分级（反映细胞异常程度）和分期（显示肿瘤扩散范围）需要捕捉组织微环境中更细微的生化变化，而常规染色技术难以提供分子层面的特异性信息。

振动拉曼散射技术原本有望破解这一难题，它能通过"分子指纹"无标记地区分生物组织的生化组成。但自发拉曼的散射截面极小，单个像素采集就需要秒级时间，根本无法满足临床诊断对速度的要求。正是在这一背景下，德国莱布尼茨光子技术研究所Jürgen Popp团队将目光投向了非线性相干拉曼散射技术。

研究人员创新性地开发了两种互补的光谱成像系统：覆盖700-3200 cm^-1全谱范围的宽带CARS（BCARS） setup和专攻CH伸缩区（2800-3100 cm^-1）的超快速BCARS/BSRS双模态系统。通过对5例头颈癌患者冷冻切片的研究，团队发现不同病理区域呈现显著光谱差异：脂肪组织在2845 cm^-1（CH₂伸缩振动）显示强信号，而肿瘤区域在1000-1200 cm^-1波段出现特征性增强，这与肿瘤细胞中糖原代谢异常密切相关。

尤为引人注目的是其突破性的成像速度——新型超快速系统实现了29微秒曝光时间和134微秒像素驻留时间，比文献报道的多路CARS系统快一个数量级。这意味着以往需要数小时的大样本扫描，现在仅需数十分钟即可完成，为临床大规模应用扫除了速度障碍。

关键技术方法包括：采用商业双输出激光器（STRALE）搭建BCARS/BSRS双模态成像系统，通过光谱仪（Kymera 193i）与超快速sCMOS相机（Zyla 4.2）实现高速光谱采集；利用Kramers-Kronig相位检索算法进行非共振背景去除；对5例头颈癌患者（经伦理委员会批准，编号4291-12/14）的冷冻切片进行多区域光谱采集，以病理学家标注的H&E平行切片为金标准；采用主成分分析-线性判别分析（PCA-LDA）进行光谱分类模型构建。

2.1 基于光谱的头颈癌冷冻切片分类研究

通过对多患者组织样本的BCARS成像分析，研究发现不同病理区域呈现显著的光谱特征差异。脂肪组织在2845 cm^-1处的CH_{2伸缩振动信号明显强于其他组织，而肿瘤区域在1000-1200 cm^-1波段显示强度提升，提示糖原代谢异常。通过Gram-Schmidt正交化投影生成的化学特异性图像，能够清晰区分肿瘤、脂肪组织和坏死区域，与病理学家标注结果高度一致。}

PCA-LDA分类模型在10折交叉验证中达到62%的平衡准确率（四分类随机基线为25%）。研究表明，使用全波数范围（700-3200 cm^-1）比仅用CH区可略微提升分类性能，而非共振背景去除对分类准确性影响不大。通过15微米标注边界侵蚀可有效减轻平行切片间的空间错位影响。

2.2 面向超快速病理学的高速光谱成像演示

超快速BCARS系统在猪皮肤组织成像中展示了其高速成像能力。系统以134微秒像素驻留时间采集2.5×0.25 mm²的大视野图像，仅需4分24秒即可完成。不同皮肤层（表皮、真皮和皮下脂肪）在BCARS和BSRS光谱中呈现明显差异：表皮层在2865 cm^-1显示更强信号，反映较高脂质含量；皮下层则呈现典型的脂质特征，包括2850 cm^-1的CH₂对称伸缩振动和3003 cm^-1的不饱和脂肪酸振动。

在人头颈癌样本测试中，系统在50分钟内完成了1.9×2.5 mm²的大视野扫描（3000×4000像素），通过优化采样参数可将时间进一步缩短至30分钟，同时保持1微米的空间分辨率。

研究证实宽带相干拉曼散射技术在生物医学应用中具有重要价值。定性分析揭示了不同组织类型间的显著光谱差异，尤其是在肿瘤区域观察到的糖原水平升高特征，为癌症代谢研究提供了新视角。定量分类分析虽然受限于小样本队列，但62%的准确率证明了该方法的可行性。

超快速成像系统的开发是迈向临床应用的关键一步。134微秒的像素驻留时间使大样本高速扫描成为可能，为大规模临床研究奠定了基础。随着白光产生技术和快速探测器的发展，将成像范围扩展至指纹区（fingerprint region）将成为下一步重点，这将进一步提升肿瘤分级、分期和药物递送监测的准确性。

这项研究凸显了宽带CRS技术在提供化学特异性对比方面的独特优势，有望改变当前临床诊断中耗时且多数工具仅能术后使用的现状。该技术不仅为数字病理学开辟了新途径，也为活体应用奠定了基础，预示着无标记实时诊断新时代的到来。