助力高效癌症诊断——基于量子级联激光的红外显微光谱技术

来源：Photonics.；编译：海尔欣市场部

摘要

  德国波鸿鲁尔大学(Ruhr- Universität Bochum，RUB)利用基于量子级联激光（QCL）的红外显微镜实现迅捷的癌症诊断，在短时间内获取高质量诊断图像，克服了红外光谱影像临床诊断的主要障碍。该研究发表于Scientific Reports。

研究成果

  红外光谱成像已被证明是一种可靠、自动化、且独立于操作员的组织分类方法，已用于对肿瘤区域的组织薄片进行差异识别与分类。然而，传统的傅立叶红外光谱（FTIR）显微技术需要以天为单位来分析样品，其分析效率阻碍了红外光谱成像在临床中的大规模应用。

  该研究小组开发了新的癌症诊断方法，用QCL取代FTIR技术，开发了基于QCL的红外光谱显微镜。研究人员通过使用QCL的相干光源产生的高信噪比和单色谱线，将红外光谱成像分析所需的时间从数天缩短到了几分钟。例如,该技术获取一个2mm*2mm视场角(FOV)内，1800cm-1~948cm-1波段范围内以2cm-1分辨率的红外高光谱立方 (Spectral hypercube),仅需47秒。与FTIR显微镜相比，基于QCL的红外显微镜使用单频率光源，从而在非常短的测量时间内只针对感兴趣的区域获得图像，并对其进行详细分析。结合生物信息图像分析技术，基于QCL的红外显微镜可以对癌症组织进行无染色的组织分类，并且可以实现全自动分析。

"我们将测量的时间缩短了160倍。"研究员Frederik Großerüschkamp说。

图1.

基于QCL的全切片大肠癌组织薄切片的染色和红外成像：（A）大肠癌薄切片的H&E染色图像，显示了患病结肠壁的形态结构。较重的紫色染色图案在上部突出显示了癌变区域，浸润的炎症细胞分布在整个组织样本中。（B）索引彩色图像，其中黄色表示浸润性炎症细胞。（C）红色像素代表与临床病理学家的注释相匹配的样本癌变区域。

该团队使用基于QCL光源的红外显微光谱成像分析了从结直肠癌患者身上采集的110个组织样本。与组织病理学（常规临床诊断的金标准）相比，该无染色方法的结果显示出96％的敏感性和100％的特异性。作为对照，研究组使用两个不同的设备进行了测量，并且由多位操作者进行了分析。实验证明这对结果没有影响。

  研究人员Angela Kallenbach-Thieltges表示：“该方法现在非常快速、可靠，并且不依赖于特定的设备或特定的操作者。这为自动分类来自患者的组织样本开辟了新途径。”

  该小组认为，其证明了QCL红外光谱显微成像是一种无损、无需染色标签的技术，目前是一个能够用于组织分类和生物标志物研究的快速技术，下一步将针对尚未满足的临床需求继续开展大型研究。该团队认为，这能够把基于红外光谱显微成像的无染色标签和自动组织分类推进临床程序，也能用于生物标记物的搜索。

  现在，基于QCL的红外光谱显微成像技术能够在短时间内获取高质量诊断图像，克服了红外影像临床翻译的主要障碍。“研究结果使人们觉得高精度的红外光谱癌症诊疗不再遥不可及，并且最终将被证明比传统方法更成功。”研究人员Klaus Gerwert说。

参考文献

1. Kuepper, C., Kallenbach-Thieltges, A., Juette, H. et al. Quantum Cascade Laser-Based Infrared Microscopy for Label-Free and Automated Cancer Classification in Tissue Sections. Sci Rep 8, 7717 (2018). 

2. QCL-based IR Microscopy Performs Rapid Cancer Diagnosis.