拉曼光譜：透視職業(yè)病塵肺背后的“分子指紋”

粉塵之下，呼吸之痛，科技之光正在照亮肺部纖維化的隱秘角落。

你是否想象過，一束光就能揭示出肺部深處的病變？中國(guó)科學(xué)家利用共聚焦拉曼光譜技術(shù)，成功“拍攝"到了煤塵暴露下肺組織的生化變化圖譜，為煤工塵肺病（CWP）的早期診斷和機(jī)制研究提供了全新視角。

這項(xiàng)研究發(fā)表于《PeerJ》期刊，由安徽理工大學(xué)工業(yè)粉塵控制與職業(yè)健康教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)完成。他們不僅建立了煤工塵肺小鼠模型，還系統(tǒng)應(yīng)用拉曼光譜技術(shù)精準(zhǔn)捕捉了肺纖維化過程中的分子變化。

01 塵肺之痛：看不見的職業(yè)健康危機(jī)

煤工塵肺病，是由于長(zhǎng)期吸入煤塵或礦物粉塵引起的職業(yè)性肺病。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2024年，中國(guó)報(bào)告的職業(yè)病中，塵肺病占90%以上，其中煤工塵肺是主要類型。

患者肺組織會(huì)逐漸纖維化，支氣管扭曲變窄，常伴有慢性阻塞性肺疾病（COPD），嚴(yán)重?fù)p害肺功能。傳統(tǒng)診斷依賴X光和組織活檢，既滯后又有創(chuàng)傷。

有沒有一種方法，能在病變?cè)缙诰途珳?zhǔn)捕捉到肺部的生化變化？拉曼光譜技術(shù)給出了肯定的答案。

02 一束光，一張分子“指紋圖譜"

共聚焦拉曼光譜是一種非破壞性、免標(biāo)記的光學(xué)技術(shù)。它通過激光與分子振動(dòng)相互作用，獲取獨(dú)特的光譜信號(hào)，就像是每個(gè)分子的“指紋"。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)三組小鼠進(jìn)行了對(duì)比：分別是對(duì)照組（NS）、煤塵暴露1個(gè)月組（CWP-1M）、煤塵暴露3個(gè)月組（CWP-3M）。通過拉曼光譜掃描肺組織切片，他們發(fā)現(xiàn)了一系列特征峰的變化，精準(zhǔn)反映了膽固醇、脂質(zhì)、膠原蛋白、核酸等關(guān)鍵分子的含量變化。

圖1：從 NS、CWP-1M 和 CWP-3M 組小鼠采集的平均拉曼光譜的指紋區(qū)。

03 肺癌背后的分子劇變

1、煤塵暴露對(duì)小鼠生理與肺病理的影響

體重與肺功能：CWP 組小鼠暴露 3 天后體重驟降，15 天低于基線；CWP-3M 組呼吸頻率顯著升高，CWP-1M 與 CWP-3M 組 Ti/Te 比值（呼吸周期對(duì)稱性指標(biāo)）顯著低于 NS 組（P<0.05），提示肺功能受損。

病理改變：H&E 染色顯示---NS 組肺泡結(jié)構(gòu)正常、炎癥細(xì)胞極少；CWP-1M 組炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)、肺泡結(jié)構(gòu)破壞；CWP-3M 組炎癥加重、氣管壁增厚、煤塵顆粒在氣管周圍堆積，肺間質(zhì)炎癥惡化。

2、拉曼光譜揭示的肺組織生化變化

特征峰差異：

膽固醇（548和1087 cm?1波段）：CWP-1M 組強(qiáng)度顯著高于 NS 組與 CWP-3M 組（P<0.0001），反映早期細(xì)胞膜損傷和炎癥啟動(dòng)

磷脂（1080 cm?1和465cm?1 ）：1080cm?1 峰 CWP-1M 組高（P<0.0001），1465cm?1 峰 CWP-1M 組低，提示磷脂 bilayer 變化，反映細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)變化

膠原蛋白（1248和1448 cm?1）：CWP-3M 組強(qiáng)度顯著高于其他兩組（P<0.001），與纖維化程度正相關(guān)

氨基酸（750cm?1、850cm?1 、1004cm?1、1036cm?1 、1123cm?1和 1552 cm?1）：CWP-1M 組多數(shù)氨基酸峰強(qiáng)度升高，但苯丙氨酸（1004cm?1）峰降低，提示氨基酸代謝紊亂。

圖2：不同組間拉曼譜帶強(qiáng)度的比較。對(duì)不同組的拉曼譜帶強(qiáng)度進(jìn)行定量，以評(píng)估（A）膽固醇（548 和 1087 cm?1）、（B）脂質(zhì)（1090 和 1658 cm?1），以及（C）氨基酸（750、850、1004、1036、1123 和 1552 cm?1）。采用單因素方差分析（ANOVA）結(jié)合事后 Tukey 檢驗(yàn)。結(jié)果以均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤（SEM）表示。一個(gè)星號(hào)(*)表示 P<0.05，三個(gè)星號(hào)（***）表示 P≤0.001。

這些變化通過免疫組化結(jié)果得到了驗(yàn)證——炎癥標(biāo)志物NF-κB、纖維化相關(guān)p53、增殖標(biāo)志Ki67和凋亡蛋白Bax的表達(dá)趨勢(shì)與拉曼光譜結(jié)果高度一致。

3、病理與光譜結(jié)果的一致性

炎癥與凋亡：CWP-1M 組 NF-κB（炎癥）和 Bax（凋亡）表達(dá)高，與膽固醇、細(xì)胞色素 C 的拉曼峰強(qiáng)度變化一致；

纖維化與增殖：CWP-3M 組 p53（纖維化）和 Ki67（增殖）表達(dá)高，與膠原、核酸的拉曼峰強(qiáng)度變化一致；

膠原檢測(cè)：Masson 染色顯示 CWP-3M 組膠原含量顯著升高，而 Sirius Red 染色因煤塵自發(fā)熒光干擾，結(jié)果不可靠；拉曼光譜（1248/1448cm?1）與 Masson 染色結(jié)果匹配。

04 技術(shù)突破：為何拉曼光譜更適合塵肺檢測(cè)？

與傳統(tǒng)組織染色方法相比，拉曼光譜具有明顯優(yōu)勢(shì)：

無需染色，避免化學(xué)試劑干擾；

可定量分析，精準(zhǔn)反映分子含量；

避免煤塵自發(fā)熒光干擾——研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)Sirius Red染色在偏光鏡下會(huì)因煤塵折射而誤判，而拉曼光譜則無此問題。

研究人員表示：“拉曼光譜不僅能區(qū)分健康與病變組織，還能區(qū)分不同階段的纖維化程度。"

05 未來展望：從實(shí)驗(yàn)室到礦場(chǎng)的可能性

這項(xiàng)研究的價(jià)值不僅在于揭示了煤工塵肺的分子機(jī)制，更在于為早期診斷提供了潛在工具。

拉曼技術(shù)未來可能開發(fā)成：

便攜式塵肺篩查設(shè)備；

肺泡灌洗液的光譜快速檢測(cè)；

療效評(píng)估的無創(chuàng)監(jiān)測(cè)手段。

結(jié)語：科技賦能，守護(hù)人類健康

研究人員總結(jié)道：“將拉曼光譜用于煤工塵肺的生化分析，膽固醇、脂質(zhì)、膠原蛋白等拉曼波段有望成為炎癥和纖維化的生物標(biāo)志物。"

科技的意義不僅在于發(fā)表論文，更在于照亮那些曾被忽視的角落。或許不久的將來，礦工們只需對(duì)著儀器呼一口氣，就能知道自己的肺部是否安全。

參考文獻(xiàn)：

Wang, W., Mu, M., Zou, Y., Li, B., Cao, H., Hu, D., & Tao, X. (2022). Inflammation and fibrosis in the coal dust-exposed lung described by confocal Raman spectroscopy. PeerJ, 10, e13632.

OpenRam KY328 多擴(kuò)展型顯微共聚焦拉曼光譜儀

廣州貝拓科學(xué)自主研發(fā)的OpenRam KY328多擴(kuò)展型顯微共焦拉曼光譜儀，可跟多種光譜儀聯(lián)用，提供更好的靈敏度和空間分辨率。除了在現(xiàn)有的顯微鏡上升級(jí)共聚焦系統(tǒng)外，通過靈活地配置光譜儀和探測(cè)器，可以打造出針對(duì)客戶應(yīng)用的專屬系統(tǒng)配置。廣泛用于各類工業(yè)應(yīng)用，如質(zhì)檢，安檢，刑偵，生物醫(yī)療，制藥等需要高拉曼靈敏度的應(yīng)用領(lǐng)域。

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