里程碑！拉曼光譜首次被開發為實時監測臨床設備

生物探索

編者按

9月20日STM雜誌封面文章報道美國科學家開發了一個新的設備,能夠實時評估身體組織是否獲得足夠的氧，可以用來預測危重心臟病患者的心臟驟停。這是拉曼光譜首次被開發為實時監測的臨床醫療設備。業內認為，有著重要的里程碑意義。

將探頭放置在手術中或手術後的心臟上，可以預測危重心臟病患者的心臟驟停——這是美國波士頓兒童醫院和Pendar技術設備製造商的研究人員合作開發的一個新設備，它運用了拉曼光譜技術，能夠實時評估身體組織是否獲得足夠的氧。

9月20日，ScienceTranslational Medicine雜誌的封面文章刊登了這一研究成果，並認為，雖然研究是在動物模型上進行的，但有著重要的里程碑意義。

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具有里程碑意義

幾乎所有人都知道，對於危重心臟病患者，一旦心臟驟停發生，即使病人康復，其不良後果也是終身的。

但由於無法做到實時評估身體組織是否獲得足夠的氧，之前的技術還不能有效預測一個病人的心臟會停止。目前對組織氧測量的標準，被稱為混合靜脈血氧飽和度（SvO2），需要反覆抽血，額外增加危重病人的風險。更重要的是，無法判斷氧氣供應是否滿足心臟肌肉的動態需求。

主持這項研究的波士頓兒童醫院心臟中心醫學博士JohnKheir介紹，這個新開發的設備使用了共振拉曼光譜的技術，來測量是否有足夠的氧氣到達心臟的線粒體。這個裝置能夠提供與線粒體供氧相關器官特異性的、連續的、可靠的讀數。這是第一個能夠監測活體組織中的線粒體，以預測即將發生的器官衰竭的裝置。

這也是拉曼光譜首次被開發為實時監測的臨床醫療設備。

作為一種無損、非接觸的快速檢測技術，雖然拉曼光譜在醫療診斷上的應用與研究，已經在癌病變組織檢測與診斷、血液成分分析、動脈硬化檢測等領域進行了。此外，之前在醫療診斷上的應用是通過分析識別組織內蛋白、核酸、血脂相關的拉曼光譜峰差異實現的，而這次的應用著眼於更細微的電子積累引起的光譜位移和峰值變化，並準確地捕捉了亞細胞結構的信號。

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用光監測線粒體

在這項研究中，研究團隊創建了一個他們叫3RMR的度量方法，使用共振拉曼光譜的光讀數來產生實時氧含量和線粒體功能量化的指標。

當細胞的氧含量過低時，其能量平衡發生變化。電子開始在某些細胞蛋白（比如血紅蛋白、肌紅蛋白和線粒體細胞色素）中積累。這種能量轉移會減少或關閉線粒體能量的產生，也可能引發細胞死亡。結果就是器官損傷或功能障礙，在最壞的情況下，心臟驟停。

共振拉曼光譜可以通過激光照射時光如何發生散射，來量化線粒體蛋白質的電子部分。在低氧條件下，電子的增加會使這些分子發生扭曲，改變它們的光譜。

研究小組還使用了精確的激光和複雜的演算法來實時提取信息。據介紹高速、準確地將線粒體信號從其它生物信號中識別出來，是這篇文章最重要的科學進展。

線粒體細胞色素、肌紅蛋白和血紅蛋白在氧合和脫氧狀況下拉曼光譜出現的位移和峰值變化 圖片來自文獻1

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預測心臟驟停

研究人員先在大鼠模型中測試了該裝置。他們發現不管氧遞送減少的原因是什麼，減少心臟的氧含量後，3RMR就會相應增加。低氧狀態10分鐘後進行測量，讀數增加超過40%。他們開發的設備在預測心臟收縮力和隨後的心搏停止上，有97%的特異性和100%的敏感性，優於所有其它測量技術。

研究小組之後在模擬先天性心臟手術的豬模型中進一步測試了該裝置。他們能夠測量心肌供氧的滿意程度，這是之前的設備無法做到的。

該裝置最先可能的應用是心臟手術期間及術後的氧輸送監測。目前的探針是一支鋼筆大小，但最終，該小組希望開發一個更小的探頭，可以放在胸腔內，這樣可以對高危時期的病人進行監護。

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未來其它應用方向

事實上，這是第一種能夠實時地評估在線粒體水平上，是否輸送足夠的氧氣到組織的技術。研究人員認為會有許多外科用途。他們相信該技術還可以在其它組織和器官暴露的操作中，進行對組織活力的監測。潛在的應用可能包括器官移植時的監測和檢測四肢血液流動的減少。

Kheir博士還認為，該工具可以在癌症研究方面有所幫助，因為線粒體功能是癌症生物學的中心。

該小組的目標是開發出FDA批准和商業化的線粒體氧合臨床監測儀。在此期間，Kheir博士和同事計劃尋求批准試驗裝置來監測心臟病患者。

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參考資料：1)Responsive monitoring of mitochondrial redox states in heart muscle predicts impending cardiac arrest

2)Laser device placed on the heart identifies insufficient oxygenation better than other measures

3)Raman spectroscopy for medical diagnostics — From in-vitro biofluid assays to in-vivo cancer detection

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