让癌细胞在手术台上“发光”，以便外科医生精准切除——这一愿景正接近现实。 密歇根州立大学Zhen Qiu团队在 Optica 发表的研究，开发了一种基于表面增强拉曼散射（SERS）纳米颗粒与超导纳米线单光子探测器（SNSPD） 的紧凑型拉曼成像系统，其灵敏度比同类商用系统高约4倍，可检测到飞摩尔（femtomolar）浓度的靶向标记物。在体外细胞、小鼠肿瘤与健康组织测试中，该系统能清晰区分肿瘤与正常组织——肿瘤区SERS信号强烈聚集，健康组织仅检测到微弱背景。该技术有望发展为快速筛查工具，辅助早期癌症检测、指导活检取样、甚至用于术中实时导航，缩短诊断到治疗的时间窗口。 传统病理检测的局限当前癌症诊断的金标准依赖组织活检+病理学家镜下判读： - 耗时长：需固定、包埋、切片、染色；
- 主观性强：不同病理学家判读结果可能不一致；
- 取样盲区：活检针可能错过微小或异质性病变。
一种理想的补充方法应能快速、客观、高灵敏度地识别肿瘤组织，且适用于术中现场。 技术核心：SERS纳米颗粒+超导单光子探测1. SERS纳米颗粒：放大拉曼指纹
拉曼光谱可反映物质的化学“指纹”，但信号极弱。表面增强拉曼散射（SERS） 通过在金属纳米颗粒（如金、银）表面吸附分子，可将拉曼信号增强百万倍以上。本研究使用的SERS纳米颗粒外覆透明质酸，可特异性结合CD44——一种在多种肿瘤细胞表面高表达的跨膜蛋白。 2. 超导纳米线单光子探测器（SNSPD）
传统拉曼系统使用电荷耦合器件（CCD）或光电倍增管（PMT），灵敏度有限。SNSPD利用超导纳米线在吸收单个光子时从超导态转变为正常态的电阻变化，实现单光子级灵敏度，且暗计数极低、时间分辨率高。 3. 扫频激光器架构
系统采用扫频激光器（波长随时间线性变化），替代传统固定波长激光器+大型光栅光谱仪的组合，大幅简化光路、减小体积，且光收集效率更高。这种紧凑型、光纤耦合设计便于未来临床转化（如便携式设备、内窥镜集成）。 性能验证：从溶液到组织1. 灵敏度
在含SERS纳米颗粒的溶液中，系统检测下限达到飞摩尔（10⁻¹⁵ M） 级别，比传统拉曼系统提升约4倍。 2. 细胞与组织区分 - 培养乳腺癌细胞：肿瘤细胞中SERS信号强烈；
- 小鼠肿瘤模型：肿瘤组织信号集中，与健康组织形成鲜明对比；
- 健康组织：仅检测到极低背景信号。
结果证实该系统具备可靠的肿瘤-正常组织对比度。
优势与应用前景1. 快速筛查
系统可在数分钟内完成扫描，自动标记高信号区域，作为病理诊断的预筛选工具，帮助病理学家优先关注可疑区域。 2. 术中导航
若进一步小型化，可集成于手术显微镜或手持探头，实时显示肿瘤边界，指导精准切除（类似于荧光导航，但SERS无组织自发荧光干扰）。 3. 多靶标检测
通过更换纳米颗粒表面配体（适配体、抗体），可靶向不同肿瘤标志物，甚至同时使用多种不同拉曼指纹的纳米颗粒实现多重成像。 4. 活检指导
在穿刺活检前用SERS探头扫描，可定位肿瘤活性最高区域，提高取样阳性率。 临床转化需解决的问题- 扫描速度：目前逐点扫描仍需优化，研究者正测试垂直腔面发射激光器（VCSEL） 阵列与缩小扫频范围以提速；
- 穿透深度：当前系统主要用于离体组织或浅表病变，深部肿瘤需结合内窥镜或介入探头；
- 监管审批：需大规模临床试验验证其特异性、敏感性及对患者结局的影响。
未来方向- 多路复用：使用不同拉曼标签的SERS纳米颗粒，同时检测多种肿瘤标志物（如HER2、EGFR、PD-L1），指导精准治疗；
- 活体成像：探索静脉注射SERS纳米颗粒后的全身分布与肿瘤靶向效率；
- 联合治疗：SERS纳米颗粒可同时负载药物，实现“诊断-治疗”一体化（theranostics）。
参考信息
Reference: “High-sensitivity SNSPD-enabled swept source Raman spectroscopy for cancer detection with SERS nanoparticles” by Stephanie Boyd, Zhen Qiu, Gary D. Luker, Ming Han, Timothy M. Rambo, Aniwat Juhong, Cheng-you Yao, Jeremy S. Doredla, Aaron J. Miller, Xuefei Huang, Min Li, Yifan Liu, A. K. M. Atique Ullah and Bo Li, 19 December 2025, Optica.
DOI: 10.1364/OPTICA.569117 (责任编辑：泉水) |