这种高灵敏成像系统能更早发现癌症

该成像系统旨在检测表面增强拉曼散射（SERS）纳米颗粒发出的极弱信号，这些纳米颗粒经设计可附着于肿瘤标志物。将其应用于样本或待检区域后，系统会读取拉曼信号，并自动高亮显示更可能含肿瘤组织的区域。
密歇根州立大学定量健康科学与工程研究所（IQ）的研究团队负责人邱振（Zhen Qiu）表示：“传统癌症相关诊断方法耗时费力，因为需要对组织样本进行染色，再由病理学家寻找异常。我们的系统虽不会立即取代病理学检查，但可作为快速筛查工具加速诊断。”
发表的研究结果显示灵敏度大幅提升
在《Optica》（Optica出版集团的高影响力研究期刊）上，邱振及其同事报告称，该系统能区分癌细胞与健康细胞，且可检测到的拉曼信号比同类商用系统弱约4倍。这种灵敏度的提升源于将波长在分析过程中变化的扫频激光与被称为超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的超灵敏探测器相结合。
邱振说：“这项技术最终有望实现便携式或术中设备，让临床医生能在癌症早期阶段进行检测，提高活检取样的准确性，并通过侵入性更低的检查监测疾病进展。最终，这些进展可能改善患者预后，减少诊断延迟，加快从检测到治疗的进程。”
利用超导探测器突破检测极限
邱振的实验室研究SNSPD如何用于增强多种成像技术。SNSPD依赖超导导线，可检测单个光子，使系统能高速捕捉极弱光信号，同时将背景噪声控制在极低水平。
在该项目中，研究人员旨在构建一个平台，用于测量比现有拉曼系统检测到的信号微弱得多的拉曼信号。拉曼成像通过分子独特的光散射“指纹”绘制样本的化学成分图谱，而使用SERS纳米颗粒可增强这些信号。
邱振表示：“将这种先进探测器与扫频拉曼架构相结合——后者取代了笨重的相机，能更高效地收集光线——使得该系统的检测极限远超同类商用系统。此外，光纤耦合配置和紧凑设计有利于系统小型化及未来的临床转化。”
多种样本类型中肿瘤对比度强
为测试该系统，团队使用了涂有透明质酸的SERS纳米颗粒，这种纳米颗粒能与CD44结合（CD44是许多肿瘤细胞表面的一种蛋白质）。对简单纳米颗粒溶液的初步实验显示，该系统可达到飞摩尔级灵敏度。研究人员随后将该成像平台应用于培养的乳腺癌细胞、小鼠肿瘤及健康组织样本。
邱振说：“SERS信号在肿瘤样本中高度集中，而在健康组织中仅检测到极少背景信号。这既证明了系统卓越的灵敏度，也体现了其提供可靠肿瘤与健康组织对比度的能力。此外，通过调整或替换靶向分子，这种方法可适用于其他癌症类型。”
迈向临床应用的下一步
研究人员表示，该系统在投入临床使用前还需进一步工作。未来的改进将聚焦于提高读取速度和扩大验证研究。团队正在探索更快的激光源（包括垂直腔面发射激光器，VCSELs），并测试缩小扫频范围是否能进一步提升性能。他们还计划开展多重实验，使用不同纳米颗粒同时靶向多种生物标志物。
研究人员感谢行业合作伙伴Quantum Opus，该公司提供了本研究中使用的SNSPD设备。