生物组织的太赫兹波指纹谱特性

太赫兹波段覆盖了蛋白质、脂质及糖类等大分子的振转能级,因此在太赫兹波与不同生物大分子或者生物组织相互作用时会展现出指纹谱特性。下面将从分子、细胞和组织等不同层次介绍太赫兹波的指纹谱特性。

1.生物分子水平

(1)氨基酸、多肽和蛋白质

氨基酸(amino acid)是由氨基(—NH2)和羧基(—COOH)与R侧链组成的有机分子;两个氨基酸以肽链连接形成二肽(dipeptide),三个及三个以上的氨基酸以肽键连接形成多肽(polypeptide);氨基酸经过脱水缩合、折叠等形成了蛋白质(protein)。

早在2003年,Kutteruf等就测量了20种天然氨基酸在1~15 THz的太赫兹吸收谱[14]。随后,为了减少水的强吸收性对太赫兹光谱测量的影响,Kikuchi等使用一种高分子膜滤水以得到更好的测量物质的光谱[15],使得太赫兹技术可用于水相。2005年,Yamamoto等用太赫兹时域光谱技术对甘氨酸、丙氨酸及其多肽进行测量,频率为1.37 THz时发现了聚甘氨酸的振动谱带[16]。2011年后,太赫兹技术被用于对混合物中不同氨基酸的定性定量分析[17,18]。2007年,Chen等对卵清溶菌酶(HEWL)与3-乙酰氨基葡萄糖(3NAG)的结合进行研究,发现在温度为270 K时,HEWL+3NAG的吸收系数明显低于游离的HEWL,证明了太赫兹光谱技术检测分子间作用的可行性[19]。蛋白的淀粉样聚集和纤维化在阿尔茨海默病、帕金森综合征等疾病中发挥重要作用。观察淀粉样纤维化的构象改变过程对临床诊治意义重大,2010年Liu及其同事尝试用太赫兹光谱技术来观察这一现象。他们发现在温度为293 K、太赫兹频率为0.2~2.0 THz时,能够观察到胰岛素聚合物的太赫兹光谱吸收率和折射率均明显高于单体胰岛素[20]。2014年以来,太赫兹光谱技术被广泛用于研究蛋白质的构象改变、分子间作用和定量分析等[21]。此外,蛋白质是一类重要的营养物质,对蛋白质的含量及种类评估是研究热点之一。2012年,Teng及其同事采用太赫兹时域光谱和红外光谱分别对牛奶粉末、杏仁核粉末和糖进行测量[22],结果表明蛋白质含量越高,其吸收和反射系数越高,并且太赫兹光谱比红外光谱敏感性更好,说明太赫兹时域光谱技术可以在蛋白质的定性定量分析中发挥重要作用。

(2)脂类

脂类(lipid)是一类不能溶于水的人体重要的有机化合物,其主要作用包括存储能量、传导信号和构成细胞膜等。

髓磷脂不足会引起一系列的中枢神经系统疾病,但缺乏对髓磷脂不足的检测方法。2017年,Zou等尝试用太赫兹光谱去诊断髓磷脂不足的恒河猴模型[23]。结果显示,频率为0.5 THz时髓磷脂不足组标准振幅值为0.490 AU±0.023,而对照组的标准振幅值为0.609 AU±0.027(P＜0.001);频率为1.0 THz时,髓磷脂不足组标准振幅值为0.530 AU±0.034,而对照组的标准振幅值为0.914 AU±0.084(P＜0.001),这表明了该项技术能快速、强力地检测脑组织中的髓磷脂不足。(www.xing528.com)

(3)核酸

核酸(nucleic acid)是一类重要的生物大分子,是信号传导、遗传存储的载体。太赫兹光谱技术可以敏感地检测核酸的配对氢键和非共价键的相互作用。

2014年,有学者使用太赫兹时域光谱去研究固相下尿嘧啶和尿素间的相互作用,结果发现其太赫兹吸收光谱在0.8 THz处有明显的吸收峰。这一发现加深了对RNA变性的认识,同时也可以看到在制药或化学工程中太赫兹光谱技术可以是一个有效的质量控制工具[24]。此外,近来的研究探讨了太赫兹技术对DNA形态变化的检测。2015年,Tang等尝试用太赫兹光谱技术标记的探测DNA的单碱基的变化来检测DNA突变[25]。2016年,Cheon等通过分辨从不同细胞中提取具有基于甲基化的癌灶特征DNA来辨别不同的癌症,其实验发现甲基化后的DNA在1.29 THz、1.74 THz和2.14 THz时有三个吸收波峰,表明了太赫兹技术可以在癌症的微创诊断过程中发挥重要作用[26]。

2.生物组织水平

目前,太赫兹光谱技术对不同组织的检测依旧是主流,其中正常组织与癌组织的鉴别是热点之一。Truong及其同事开展了一系列研究检测乳腺癌组织和正常组织不同的太赫兹谱特征的工作,并且进一步探讨了不同乳腺癌组织的鉴别[27]。阿尔茨海默病是一种退行性神经系统病变,目前采用脑脊液检查、磁共振、神经系统查体等方法来诊断。这些方法花费高、耗时久并且可靠性依赖于疾病的严重程度。一项动物试验研究了阿尔茨海默病小鼠与正常小鼠脑组织的不同太赫兹光谱,结果显示在1.44 THz、1.8 THz和2.114 THz时可以观察到阿尔茨海默病小鼠的吸收系数高于正常小鼠,而阿尔茨海默病小鼠的折射系数均明显高于正常小鼠[28]。水对太赫兹检测影响较大,根据标本处理方式将其分为脱水标本和非脱水标本,其中石蜡包埋是常见的脱水方法。Hou及其同事成功地鉴别脱水正常组织和胃癌组织,发现在0.2~0.5 THz和1~1.5 THz时可以观察到胃癌组织的太赫兹特征谱[29]。Echchgadda及其同事研究[30]了前臂腹侧皮肤、前臂背侧皮肤、手掌皮肤的太赫兹特征,结果发现由于不同部位皮肤水含量的差异,使其具有不同的吸收系数和折射系数。非脱水标本的太赫兹检测对于未来的医疗领域无损或微创实时组织性质的实时检测意义重大,未来需要更进一步研究完善。

3.生物细胞水平

太赫兹光谱技术已经能够实时鉴别生物组织,然而生物材料和液体(水和血液)可能会干扰对目标组织的探测。Reid及其同事研究比较了全血、血清、血细胞、血栓和水等的太赫兹吸收系数和折射系数,观察到上述物质的吸收和折射系数均有较小的区别[31]。Shiraga及其同事将太赫兹光谱技术结合衰减全反射法(THz-ATR),用来研究DLD-1、HEK293和HeLa这三种癌细胞的介电常数,发现低于1.0 THz时,癌细胞中水分子有着不同于细胞外液的介电响应[32]。此外,由于不同细菌特有的太赫兹光谱,该技术还被用于鉴别细菌[33,34]。细胞中的水与生物的活动和病理状态相关。