上海交大叶坚、薛蔚、金成团队发文建立表面增强拉曼分子组学实现代谢表型检测与前列腺癌的精确诊断

　　

对于癌症的快速精确诊断与个性化治疗，血液检测可以提供丰富的分子信息，并且血液样本获取相对简单、侵入性较小，在临床上应用广泛。基于血液的代谢表型研究可以反映机体的生理病理状态，有助于疾病的诊断、监测与预后。然而，目前的代谢表型检测方法相对昂贵、耗时长且不够灵敏，阻碍了其临床适用性。

拉曼光谱可以实现无标记、非破坏、多指标的分子指纹信息的获取，然而分子的拉曼信号本身相对较弱，其灵敏度不足以对生物液体中代谢分子实现检测。而表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS），即通过等离激元纳米材料，在激光的作用下，极大地增强纳米材料表面的分子的拉曼信号，甚至可以达到单分子灵敏度。因此表面增强拉曼光谱在生物液体样本的代谢表型研究中具有巨大的应用潜力。

然而，目前的表面增强拉曼光谱技术在代谢表型研究中仍然面临巨大的挑战，其一为较差的检测重复性：无标记方法依赖于分子对纳米材料的随机吸附来实现信号增强，因而分子吸附位点随机，以往的研究大多针对每个样品仅获取单张或少量几张光谱，这会导致大量分子信息的不可控的遗漏，从而阻碍全面、稳定的代谢信息捕获。另一挑战在于当前缺乏合适的针对SERS检测技术的样本前处理方案：尤其对于复杂的生物液体样本，其中包含大量的蛋白、核酸等大分子，会阻碍代谢分子接近纳米材料表面，降低了代谢分子的检测能力。

因此，目前迫切需要开发新的技术用于快速、准确、可广泛推广的代谢表型检测。

上海交通大学生物医学工程学院叶坚教授团队联合金成副教授团队以及上海交通大学医学院附属仁济医院薛蔚团队，合作开发了表面增强拉曼分子组学技术，实现了超灵敏、多指标、可重复的代谢表型检测以及前列腺癌的精确诊断。

不同于以往的检测方法，在本工作中，每个样本内的不同位置将分别被采集光谱，形成一个光谱集（SERSome，如包含200条光谱）作为一个整体，用于表征其代谢分子组成，从而尽可能全面地囊括了信号强度弱和/或出现概率低的分子信息，使得代谢表型的获取更具有可重复性和完整性。

此外，在该方法中，前处理流程简单，仅需一步超滤法即可去除体系内大分子干扰，实现针对代谢分子的高信噪比信号的获取；该方法的样本需求量小（仅需10微升）、测试速度快（~15分钟）、成本低，有利于在基础研究、临床诊断等多个应用场景的广泛推广。目前，已证明SERSome可以实现包含细胞培养液、血清、尿液等多种生物液体样本的代谢表型检测。（图1）

图1. 表面增强拉曼光谱分子组测试方法与不同生物液体样本的SERSomes

研究人员首先将该方法运用在了细胞外代谢的研究场景中（图2）。采用人肝癌HepG2细胞，开展了针对随细胞生长的时序代谢变化以及受到氨蝶呤药物作用后发生的代谢改变的研究工作，并进一步证明了SERSome增强了代谢分子信息的捕获能力，其多指标、超灵敏的优点有助于更为全面地了解药物引起的代谢变化，为生物机制的研究与新标志物的挖掘提供线索。

图2. 表面增强拉曼分子组用于细胞外代谢表型研究

进一步针对临床基于血液样本的疾病诊断的应用场景（图3），本工作中采集了临床前列腺癌患者、良性前列腺增生患者与对照组的血清样本。每一个样本在经过简单的前处理后，被采集了一个SERSome作为其代谢表型图谱。团队基于深度学习算法建立了SERSome分析全流程，实现了包含纳米材料背景去除、数据增强、分类、特征可视化等数据处理、分析步骤，覆盖了临床应用中对于系统误差消除、样本量弥补、诊断、标志物挖掘等的需求。最终，前列腺癌诊断准确率达到82.35%，显著优于临床指标诊断效果（前列腺特异抗原PSA：63.23%）。进一步地，联合多模态联合诊断，实现了对组织恶性程度（Gleason score）的预测，准确率达到71.4%，有望在未来进一步减小组织活检带来的侵入性。

图3. 基于人血清样本采用表面增强拉曼光谱分子组实现前列腺癌的精确诊断

近期，叶坚教授课题组刚刚报道了一项基于单分子计数的数字胶体增强拉曼光谱技术（Nature, 2024, 628, 771），成功实现了超低浓度目标分子的可靠定量检测，有望解决这个领域50年来一直以来困扰的重复性问题。因此，进一步结合数字胶体增强拉曼光谱，表面增强拉曼分子组学技术在未来将有望发展成为一项强大的代谢表型检测工具，用于快速、灵敏、可普遍推广的复杂生物液体样本的多指标代谢检测，将有助于促进基础研究的发展、满足临床应用的需求、提升疾病的诊断与治疗。

该项工作是上海交通大学生物医学工程学院叶坚团队、金成团队和上海交通大学医学院附属仁济医院薛蔚、潘家骅团队的合作成果。上海交通大学生物医学工程学院博士生毕心缘、上海交通大学医学院附属仁济医院泌尿外科住院医师王嘉毅、上海交通大学生物医学工程学院博士生薛邴森为本文的共同第一作者。上海交通大学医学院附属仁济医院副院长薛蔚、泌尿外科主任医师潘家骅以及上海交通大学生物医学工程学院金成副教授、叶坚教授为本文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会、上海交通大学、市级医院临床技能与临床创新三年?动计划重?临床研究项目、上海市核酸化学与纳米医学重点实验室“临床+”卓越项目、上海市妇科肿瘤重点实验室以及国家重点研发计划的支持。

论文链接：https://www.cell.com/cell-reports-medicine/fulltext/S2666-3791(24)00271-4

作者：

叶坚课题组

供稿单位：

生物医学工程学院