Ratiometric pH-responsive SERS strategy for glioma boundary determination

用于神經膠質瘤邊界確定的比率 pH 響應 SERS 策略

來源：Talanta 250 (2022) 123750

 

一、摘要概述

 

本研究開發了一種基于比率型pH響應表面增強拉曼散射（SERS）技術，用于術中快速確定膠質瘤邊界。核心創新點包括：

 

傳感芯片設計：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響應探針（圖1A）。

 

 

pH響應機制：4-MPY的SERS特征峰比值（I<sub>1091</sub>/I<sub>1580</sub>）隨pH變化呈線性關系（y = -0.15x + 2.35），實現pH 5.5–7.5的高精度檢測（圖3C-D）。

 

 

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

 

 

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

 

 

臨床價值：該方法快速（10秒）、非侵入、便攜，可替代術中病理檢測，實現精準腫瘤切除。

 

二、研究目的

 

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

 

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

 

開發術中導航工具：構建便攜式SERS系統，實現實時、可視化腫瘤邊界識別。

 

三、研究思路

 

采用 “材料制備-機制優化-動物驗證-臨床轉化”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AgNPs均勻分布（70 nm，圖1C），SERS信號穩定（圖1D）。

 

pH響應優化（圖3）：

 

驗證4-MPY質子化響應（圖3A），確定10分鐘為檢測閾值（圖3B）。

 

建立I<sub>1091</sub>/I<sub>1580</sub>與pH的線性模型（R2>0.98，圖3D）。

 

動物模型驗證（圖2, 4）：

 

小鼠U87膠質瘤模型（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）。

 

技術對比驗證（圖5）：

 

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

 

四、關鍵數據及其研究意義

1. SERS芯片性能（圖1, 3）

 

數據來源：圖1C（SEM）、圖1D（SERS譜）、圖3C-D（pH響應曲線）。

 

關鍵結果：

 

AgNPs膜均勻性保障信號重現性（RSD<5%）。

 

I<sub>1091</sub>/I<sub>1580</sub>在pH 5.5–7.5線性變化，靈敏度0.15/pH單位。

 

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

 

2. 腫瘤邊界pH梯度（圖4）

 

數據來源：圖4（SERS檢測腫瘤不同位點pH）。

 

關鍵結果：

 

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

 

研究意義：首次通過組織間液滲透法實現微創pH檢測，為術中實時導航提供依據。

 

3. 微電極驗證數據（圖5）

 

數據來源：圖5D（SERS vs. 微電極pH對比）。

 

關鍵結果：

 

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SERS技術的臨床級精度，誤差低于生理pH波動（0.1單位）。

 

五、結論

 

技術優勢：SERS芯片結合水滴滲透法，實現膠質瘤邊界的快速（10秒）、微創、高精度（ΔpH<0.2） 識別。

 

機制創新：4-MPY比率型檢測規避絕對信號波動，提升抗干擾能力。

 

臨床轉化：便攜式光纖拉曼系統（532 nm激光）可集成于手術設備，替代術中冰凍病理。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 技術原理與優勢

 

超微創設計：50 μm針尖（圖5A）避免組織損傷，適合腦部脆弱區域。

 

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

 

實時監測：Sensor Trace Suite軟件實現電位差（mV）→pH即時轉換。

 

2. 關鍵數據與意義（圖5）

 

精準定位腫瘤酸性區域：

 

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。

 

驗證SERS可靠性：

 

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

 

研究意義：

 

Unisense電極作為金標準，為新型SERS技術提供權威背書。

 

微創特性證明SERS組織兼容性，消除術中應用安全顧慮。

 

3. 技術局限性

 

操作復雜性：需專業微操平臺（圖5A），限制基層醫院推廣。

 

單點檢測：無法像SERS芯片實現多點同步掃描（圖4）。

 

總結：本研究通過SERS與Unisense微電極的聯合驗證，建立了基于腫瘤酸性微環境的膠質瘤邊界術中導航新范式。Unisense數據不僅證實了SERS的可靠性，更凸顯了其在微創性和精準度上的獨特價值，為技術轉化奠定基石。