微型化拉曼技術(shù)革新抗癌藥物監(jiān)測(cè)：走進(jìn)床邊的精準(zhǔn)醫(yī)療時(shí)代

藥物的治療窗口狹窄、個(gè)體代謝差異大時(shí)，過(guò)量可能導(dǎo)致毒性反應(yīng)，劑量不足則影響療效。傳統(tǒng)藥物濃度檢測(cè)通常需要將樣本送至中心實(shí)驗(yàn)室，耗時(shí)較長(zhǎng)且無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整治療方案。

尤其在抗癌治療中，這一問(wèn)題更為突出。以甲氨蝶呤為例，該藥物在白血病和淋巴瘤治療中應(yīng)用廣泛，但其清除速率因人而異，臨床中常需聯(lián)合使用亞葉酸鈣進(jìn)行解救。

因此，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、可床旁操作的治療藥物監(jiān)測(cè)成為提升癌癥治療安全性與有效性的關(guān)鍵。

01 臨床挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段的局限

治療藥物監(jiān)測(cè)在臨床實(shí)踐中至關(guān)重要，尤其是對(duì)于藥代動(dòng)力學(xué)變異性大、治療窗口窄的藥物。傳統(tǒng)檢測(cè)方法通常依賴(lài)高效液相色譜、質(zhì)譜等大型儀器，這些設(shè)備不僅體積龐大、價(jià)格昂貴，而且需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員操作。

檢測(cè)周期較長(zhǎng)，從采樣到出結(jié)果往往需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。在資源有限的環(huán)境或急需快速調(diào)整用藥方案的臨床場(chǎng)景中，這種延遲可能影響治療效果甚至危及患者生命。

對(duì)甲氨蝶呤這類(lèi)抗癌藥物而言，治療過(guò)程中必須實(shí)時(shí)跟蹤其血藥濃度變化，以便準(zhǔn)確判斷何時(shí)使用解救藥物亞葉酸鈣，從而避免嚴(yán)重毒性反應(yīng)甚至死亡事件發(fā)生。

臨床迫切需要一種能夠在床旁快速完成檢測(cè)的技術(shù)手段，在保證檢測(cè)準(zhǔn)確性和靈敏度的同時(shí)，大幅縮短檢測(cè)時(shí)間并降低操作門(mén)檻。

02 技術(shù)突破，微型化拉曼系統(tǒng)的誕生

傳統(tǒng)拉曼光譜技術(shù)能夠提供樣品化學(xué)組成的獨(dú)特“指紋"信息，實(shí)現(xiàn)無(wú)損、無(wú)標(biāo)記的分子檢測(cè)。然而，這一優(yōu)勢(shì)的實(shí)現(xiàn)伴隨著對(duì)儀器設(shè)備的要求：需要波長(zhǎng)和功率穩(wěn)定的激光器、低噪聲光譜傳感器以及大孔徑光譜儀光學(xué)系統(tǒng)。

因此，高性能的拉曼光譜與顯微成像系統(tǒng)通常體積龐大、價(jià)格昂貴，僅能存在于專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室中。

Lightnovo公司針對(duì)拉曼技術(shù)微型化面臨的核心挑戰(zhàn)，提出了一套創(chuàng)新解決方案。他們成功解決了激光器溫度和功率穩(wěn)定、傳感器暗噪聲降低、像素間量子效率差異補(bǔ)償、激光光學(xué)隔離以及高光譜分辨率實(shí)現(xiàn)等多個(gè)技術(shù)難題。

通過(guò)采用非穩(wěn)頻激光二極管、密集封裝光學(xué)元件和非冷卻小像素傳感器，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的微型化。

該公司的核心技術(shù)之一是基于實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的拉曼位移和強(qiáng)度校準(zhǔn)方法，通過(guò)在光譜儀內(nèi)部集成一個(gè)收集聚苯乙烯拉曼光譜的參考通道，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的波長(zhǎng)和強(qiáng)度校正。

這一設(shè)計(jì)使整個(gè)設(shè)備的尺寸縮小至數(shù)厘米級(jí)別，同時(shí)保持了出色的靈敏度、低功耗以及約 7cm?1 的高光譜分辨率，覆蓋 400-4000cm?1 的光譜范圍。

03 顯微成像，微米級(jí)分辨率的實(shí)現(xiàn)

微型化拉曼光譜儀的光學(xué)設(shè)計(jì)采用了交叉狹縫共聚焦概念，能夠有效分離出焦層信號(hào)，最小化樣品包裝或玻璃背景的干擾。當(dāng)該設(shè)備配備三維電動(dòng)平臺(tái)和白光顯微模塊時(shí)，即可轉(zhuǎn)換為共聚焦拉曼顯微鏡。

該系統(tǒng)在聚苯乙烯微球上測(cè)試的橫向分辨率約為 1微米，在表面增強(qiáng)拉曼散射基底上測(cè)試的軸向分辨率約為 2微米。這一性能達(dá)到了衍射極限水平，使其成為目前報(bào)道的最小體積共聚焦拉曼系統(tǒng)。

交叉狹縫設(shè)計(jì)不僅保持了傳統(tǒng)大型系統(tǒng)的性能指標(biāo)，還讓設(shè)備具有了更好的靈活性與適用性。

研究者可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高分辨率的化學(xué)成像分析，也可將設(shè)備帶至臨床現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速篩查與監(jiān)測(cè)。這一突破性進(jìn)展使得拉曼技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室的專(zhuān)業(yè)工具，轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓮V泛應(yīng)用于材料識(shí)別和定量分析的多功能平臺(tái)。

04 應(yīng)用驗(yàn)證，抗癌藥物的精準(zhǔn)定量

研究團(tuán)隊(duì)選擇甲氨蝶呤作為模型藥物，驗(yàn)證微型化拉曼系統(tǒng)在藥物濃度檢測(cè)中的應(yīng)用潛力。研究人員制備了一系列濃度梯度的 MTX 標(biāo)準(zhǔn)溶液，并將其與甲醇混合，濃度范圍覆蓋 0-75微摩爾。

使用納米柱輔助分離技術(shù)結(jié)合表面增強(qiáng)拉曼散射映射方法，通過(guò)研究級(jí)拉曼顯微鏡與深冷卻電子倍增電荷耦合器件相機(jī)的配合，能夠在 5-150微摩爾范圍內(nèi)線性檢測(cè)MTX濃度，檢測(cè)限為 5微摩爾，定量限為 25微摩爾。

研究團(tuán)隊(duì)使用微型化拉曼顯微鏡對(duì)表面增強(qiáng)拉曼散射芯片表面進(jìn)行映射，每個(gè)芯片的總測(cè)量時(shí)間約為 15 分鐘，每個(gè)光譜的曝光時(shí)間為 0.1 秒。通過(guò)偏最小二乘法進(jìn)行定量校準(zhǔn)，結(jié)果顯示檢測(cè)限提高至 3微摩爾，定量限為 20微摩爾。

這一性能超越了先前報(bào)道的研究級(jí)系統(tǒng)，證明了微型化設(shè)備在靈敏度和準(zhǔn)確性方面不僅沒(méi)有因體積減小而降低，反而有所提升。芯片表面的SERS映射圖像清晰地顯示了藥物分子的分布情況，為可視化藥物濃度監(jiān)測(cè)提供了可能。

微型化拉曼技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于床旁檢測(cè)，在重癥監(jiān)護(hù)室中監(jiān)測(cè)危重患者的抗生素濃度，調(diào)整用藥劑量。科研人員則將其帶到田野，直接對(duì)土壤中的污染物進(jìn)行原位分析，無(wú)需樣品運(yùn)輸和處理。

隨著人工智能算法的整合，這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)將能夠?qū)崟r(shí)分析復(fù)雜樣本，提供即時(shí)診斷建議。這一設(shè)備使專(zhuān)業(yè)級(jí)的化學(xué)分析不再局限于實(shí)驗(yàn)室，而是延伸至病房、社區(qū)、生產(chǎn)線乃至野外環(huán)境。