Ratiometric pH-responsive SERS strategy for glioma boundary determination

用于神經(jīng)膠質(zhì)瘤邊界確定的比率 pH 響應(yīng) SERS 策略

來源：Talanta 250 (2022) 123750

 

一、摘要概述

 

本研究開發(fā)了一種基于比率型pH響應(yīng)表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）技術(shù)，用于術(shù)中快速確定膠質(zhì)瘤邊界。核心創(chuàng)新點(diǎn)包括：

 

傳感芯片設(shè)計(jì)：通過銀納米粒子（AgNPs）自組裝薄膜修飾4-巰基吡啶（4-MPY）作為pH響應(yīng)探針（圖1A）。

 

 

pH響應(yīng)機(jī)制：4-MPY的SERS特征峰比值（I₁₀₉₁/I₁₅₈₀）隨pH變化呈線性關(guān)系（y = -0.15x + 2.35），實(shí)現(xiàn)pH 5.5–7.5的高精度檢測（圖3C-D）。

 

 

術(shù)中應(yīng)用：通過水滴滲透法采集組織間液，SERS檢測其pH值，利用腫瘤酸性微環(huán)境（pH≈6.5）與正常組織（pH≈7.4）的差異界定邊界（圖4）。

 

 

驗(yàn)證方法：丹麥Unisense微電極（50 μm針尖）同步測量pH，證實(shí)SERS誤差僅0.1–0.2單位（圖5D）。

 

 

臨床價(jià)值：該方法快速（10秒）、非侵入、便攜，可替代術(shù)中病理檢測，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)腫瘤切除。

 

二、研究目的

 

解決膠質(zhì)瘤邊界難題：克服傳統(tǒng)MRI定位不準(zhǔn)、病理檢測耗時(shí)長（>30分鐘）的局限。

 

利用腫瘤酸性微環(huán)境：基于膠質(zhì)瘤高糖酵解導(dǎo)致的細(xì)胞外液酸化（pH 6.0–6.8 vs. 正常組織pH 7.35–7.45）。

 

開發(fā)術(shù)中導(dǎo)航工具：構(gòu)建便攜式SERS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可視化腫瘤邊界識別。

 

三、研究思路

 

采用 “材料制備-機(jī)制優(yōu)化-動(dòng)物驗(yàn)證-臨床轉(zhuǎn)化”四步策略：

 

SERS芯片制備（圖1）：

 

玻璃基底→PDDA修飾→AgNPs自組裝→4-MPY修飾（靜電吸附+Ag-S鍵）。

 

SEM證實(shí)AgNPs均勻分布（70 nm，圖1C），SERS信號穩(wěn)定（圖1D）。

 

pH響應(yīng)優(yōu)化（圖3）：

 

驗(yàn)證4-MPY質(zhì)子化響應(yīng)（圖3A），確定10分鐘為檢測閾值（圖3B）。

 

建立I₁₀₉₁/I₁₅₈₀與pH的線性模型（R2>0.98，圖3D）。

 

動(dòng)物模型驗(yàn)證（圖2, 4）：

 

小鼠U87膠質(zhì)瘤模型（腋下移植，14天成瘤）。

 

水滴滲透法采集組織間液→SERS檢測→邊界pH梯度變化（腫瘤中心pH 6.5→邊緣pH 7.2，圖4）。

 

技術(shù)對比驗(yàn)證（圖5）：

 

Unisense微電極校準(zhǔn)（pH 6.2–7.25，圖5B）與SERS結(jié)果高度一致（ΔpH<0.2）。

 

四、關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其研究意義

1. SERS芯片性能（圖1, 3）

 

數(shù)據(jù)來源：圖1C（SEM）、圖1D（SERS譜）、圖3C-D（pH響應(yīng)曲線）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

AgNPs膜均勻性保障信號重現(xiàn)性（RSD<5%）。

 

I₁₀₉₁/I₁₅₈₀在pH 5.5–7.5線性變化，靈敏度0.15/pH單位。

 

研究意義：首創(chuàng)固體支撐型SERS芯片，避免納米探針分散不均問題，提升檢測穩(wěn)定性。

 

2. 腫瘤邊界pH梯度（圖4）

 

數(shù)據(jù)來源：圖4（SERS檢測腫瘤不同位點(diǎn)pH）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

腫瘤中心pH 6.5±0.1，邊界pH 7.2±0.1，梯度差達(dá)0.7單位。

 

研究意義：首次通過組織間液滲透法實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)pH檢測，為術(shù)中實(shí)時(shí)導(dǎo)航提供依據(jù)。

 

3. 微電極驗(yàn)證數(shù)據(jù)（圖5）

 

數(shù)據(jù)來源：圖5D（SERS vs. 微電極pH對比）。

 

關(guān)鍵結(jié)果：

 

Unisense微電極測量腫瘤中心pH 6.52±0.05，SERS測得6.58±0.08（誤差0.06）。

 

研究意義：證實(shí)SERS技術(shù)的臨床級精度，誤差低于生理pH波動(dòng)（0.1單位）。

 

五、結(jié)論

 

技術(shù)優(yōu)勢：SERS芯片結(jié)合水滴滲透法，實(shí)現(xiàn)膠質(zhì)瘤邊界的快速（10秒）、微創(chuàng)、高精度（ΔpH<0.2） 識別。

 

機(jī)制創(chuàng)新：4-MPY比率型檢測規(guī)避絕對信號波動(dòng)，提升抗干擾能力。

 

臨床轉(zhuǎn)化：便攜式光纖拉曼系統(tǒng)（532 nm激光）可集成于手術(shù)設(shè)備，替代術(shù)中冰凍病理。

 

六、丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

1. 技術(shù)原理與優(yōu)勢

 

超微創(chuàng)設(shè)計(jì)：50 μm針尖（圖5A）避免組織損傷，適合腦部脆弱區(qū)域。

 

高精度校準(zhǔn)：四點(diǎn)校準(zhǔn)曲線（pH 6.2–7.25，R2=0.999，圖5B），誤差<0.05單位。

 

實(shí)時(shí)監(jiān)測：Sensor Trace Suite軟件實(shí)現(xiàn)電位差（mV）→pH即時(shí)轉(zhuǎn)換。

 

2. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)與意義（圖5）

 

精準(zhǔn)定位腫瘤酸性區(qū)域：

 

微電極插入組織間隙（圖5C），測得腫瘤中心pH 6.52 vs. 邊緣7.28，梯度與SERS一致。

 

驗(yàn)證SERS可靠性：

 

兩種技術(shù)pH差值僅0.1–0.2（圖5D），證實(shí)SERS達(dá)到臨床可接受精度。

 

研究意義：

 

Unisense電極作為金標(biāo)準(zhǔn)，為新型SERS技術(shù)提供權(quán)威背書。

 

微創(chuàng)特性證明SERS組織兼容性，消除術(shù)中應(yīng)用安全顧慮。

 

3. 技術(shù)局限性

 

操作復(fù)雜性：需專業(yè)微操平臺（圖5A），限制基層醫(yī)院推廣。

 

單點(diǎn)檢測：無法像SERS芯片實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步掃描（圖4）。

 

總結(jié)：本研究通過SERS與Unisense微電極的聯(lián)合驗(yàn)證，建立了基于腫瘤酸性微環(huán)境的膠質(zhì)瘤邊界術(shù)中導(dǎo)航新范式。Unisense數(shù)據(jù)不僅證實(shí)了SERS的可靠性，更凸顯了其在微創(chuàng)性和精準(zhǔn)度上的獨(dú)特價(jià)值，為技術(shù)轉(zhuǎn)化奠定基石。