基于唾液表面增强拉曼光谱检测进行肺癌诊断的研究

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拉曼光谱表征了化学物质的分子结构特性,是一种非弹性散射现象,能有效识别和区分不同的化学结构及官能团,从而实现对化学分子的指纹辩识。然而普通的拉曼散射光信号强度很低,而且容易被背景荧光干扰甚至淹没,检测灵敏度低。表面增强拉曼散射由于其高度有序的活性基底提高了基底与分子间的能量转移,避免了荧光背景的干扰,能够获得比常规拉曼光谱大几万倍的增益系数。因此被广泛应用于研究生物分子的界面取向、结构分析和构象研究等领域。  本研究采用美国欧普图垂斯公司研发的便携式表面增强拉曼光谱检测系统,收集首都医科大学宣武医院确诊肺癌但未进行治疗的患者唾液样本98例、健康人唾液样本102例和肺部良性疾病患者唾液51例作对照,使用特制的纳米修饰芯片对其进行表面增强拉曼光谱的检测,采用支持向量机和随机森林算法进行统计处理,分析肺癌患者与健康人以及肺良性病变者唾液的拉曼光谱区别。分析结果显示:  (1)肺癌患者与健康人唾液的拉曼光谱存在显著性差异:肺癌患者唾液的谱线较健康入唾液谱线强度整体变弱,其中有18个较为显著的拉曼峰。参考相关组织、体液、生物标准品的拉曼峰归属,对唾液的拉曼峰进行了归属。  (2)对肺癌患者及正常人唾液样本的拉曼光谱数据进行统计处理及分析,结果表明肺癌患者与正常人的唾液样本分类效果良好。肺癌患者和健康人唾液样本的拉曼光谱数据支持向量机分类结果灵敏度为100%,特异度为100%。使用留一法检验结果灵敏度为95.92%,特异度为94.12%,随机森林分类结果灵敏度为94.90%,特异度为93.14%。  (3)拉曼检测所得到的两组样本在单个波数上的数据采用微阵列显著性分析方法分析权重较大的光谱波数,发现其分类所依据的权重较大的光谱波数集中在420cm-1-480cm-1、580cm-1-630cm-1、810cm-1-850cm-1、1010cm-1-1060cm-1、1570cm-1-1590cm-1和1670cm-1-1720cm-1波段。  (4)在对肺癌样本进行亚组分析中,非小细胞肺癌、小细胞肺癌、腺癌、鳞癌、早期肺癌和晚期肺癌患者的唾液分别与健康人的唾液进行判别分析,结果显示支持向量机算法、随机森林算法,其灵敏度和特异性均可达到90%以上。但是在非小细胞肺癌与小细胞肺癌,腺癌与鳞癌,早期肺癌与晚期肺癌患者的唾液之间进行留一法检验和随机森林算法进行统计处理后发现,其准确率较前者大幅下降。  (5)对临床诊断肺癌常用的三种肿瘤标志物进行表面增强拉曼光谱的检测并对其进行初步分析发现:判别训练集对于CEA浓度表现有很强的敏感性,怀疑健康人和肺癌患者唾液中含有抗原CEA信息,CEA的浓度大小直接影响判别结果,且唾液中判别浓度与血清中的标准值不同;判别训练集对于NSE与CYFRA21-1浓度并无明显敏感性,提示肺癌患者唾液中的NSE或CYFRA21-1可能并不影响到判别结果,不是唾液中判别的主要的特征标记物。也有可能是肺癌患者和健康人的唾液拉曼光谱差异可能是同时多种物质成分的改变引起的。
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