膠質(zhì)瘤具有高浸潤性、侵襲性、邊界模糊、高發(fā)病率和死亡率等特點，發(fā)展高效和精確的膠質(zhì)瘤診斷方法十分關(guān)鍵。目前，臨床膠質(zhì)瘤的診斷技術(shù)主要是磁共振成像（MRI）和正電子發(fā)射斷層掃描（PET），但存在操作復(fù)雜、成本高等缺點。因此，迫切需要開發(fā)操作簡單、成本低、準(zhǔn)確性高的膠質(zhì)瘤診斷方法。由于病變組織成分的差異會影響可見光和近紅外區(qū)域的光吸收，因此利用具有高探測靈敏度的可見-近紅外光電探測器感知可見光和近紅外光透過組織后的細微變化，并結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法輔助分析，有望實現(xiàn)對不同病變程度的組織的即時精確診斷。
近日，中國科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林教授團隊在ACS Nano上發(fā)表了題為“Lateral Heterostructured Vis–NIR Photodetectors with Multimodal Detection for Rapid and Precise Classification of Glioma”的文章（DOI: 10.1021/acsnano.2c06004）。病變組織成分的變化會影響其對可見-近紅外區(qū)域的光吸收。研究團隊利用光探測器檢測透過不同組織的光信號的差異實現(xiàn)對膠質(zhì)瘤的分級診斷。他們利用模板誘導(dǎo)連續(xù)印刷策略構(gòu)建一維橫向異質(zhì)NaYF4@Yb、Er/CsPbI2.2Br0.8光電探測器陣列，實現(xiàn)了對可見-近紅外波段的高性能響應(yīng)。通過靈活調(diào)控墨水濃度及施加壓力，可以得到側(cè)包裹的橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)，相比于全包裹異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其對可見-近紅外光表現(xiàn)出更好的響應(yīng)性，例如，在450 nm和980 nm處的響應(yīng)度分別達到1084 A/W和150 mA/W。通過不同波長的激光（450 nm、532 nm、650 nm 和 980 nm）透過正常組織切片及不同等級膠質(zhì)瘤組織切片的不同區(qū)域后照射在可見-近紅外光電探測器上，可以收集不同位點下的光電流數(shù)據(jù)。利用得到的光電流數(shù)據(jù)可以重構(gòu)出各種組織的輪廓圖像，展現(xiàn)了膠質(zhì)瘤區(qū)域成像的能力。進而結(jié)合機器學(xué)習(xí)算法，以得到的光電流數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)庫，提取各波長下的特征和信息，進行模型訓(xùn)練和分類檢測。結(jié)果顯示，通過覆蓋可見-近紅外光的多模態(tài)檢測，膠質(zhì)瘤分級診斷準(zhǔn)確率可達到99.3%。這項工作為臨床腫瘤的快速診斷提供了一種新的思路。
圖1 印刷制備可見-近紅外光電探測器陣列用于膠質(zhì)瘤的分級診斷。(a) 利用橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)光電探測器進行膠質(zhì)瘤分級診斷的示意圖；(b) 印刷制備橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的示意圖；(c, d) CsPbI2.2Br0.8/UCNPs陣列的示意圖與橫截面SEM圖像；(e) CsPbI2.2Br0.8陣列的吸收光譜和UCNPs的光致發(fā)光光譜；(f) CsPbI2.2Br0.8和 CsPbI2.2Br0.8/UCNPs光電探測器在980 nm激光照射下產(chǎn)生的光電流對比。
圖4 基于橫向異質(zhì)光電探測器的膠質(zhì)瘤分級診斷能力。(a) 測試過程的光學(xué)圖像；(b) 正常組織、II級膠質(zhì)瘤和IV級膠質(zhì)瘤三種組織的光學(xué)圖像；(c-f) 不同波長照射下，將收集到的光電流重構(gòu)得到的三種組織的圖像；(g) 正常組織、II級膠質(zhì)瘤和IV級膠質(zhì)瘤組織對不同波長光的吸收對比；(h) 基于SVM算法的膠質(zhì)瘤分級診斷原理；(i) 單波長探測和多模態(tài)探測下，膠質(zhì)瘤分級診斷的準(zhǔn)確率。
該研究成果以“Lateral Heterostructured Vis–NIR Photodetectors with Multimodal Detection for Rapid and Precise Classification of Glioma”為題（DOI: 10.1021/acsnano.2c06004）發(fā)表在ACS Nano上。論文第一作者是中國科學(xué)院化學(xué)研究所謝紅飛博士，通訊作者為宋延林研究員、蘇萌副研究員和潘琪博士后。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、北京市科委、中國博士后基金和北京分子科學(xué)國家研究中心的支持。
