代谢重编程是几乎所有肿瘤的核心特征，通过改变癌细胞的代谢途径满足其对能量和营养的需求。肿瘤相关代谢分子是代谢重编程的产物，其浓度异常往往早于组织结构和功能异常。可视化肿瘤代谢分子时空变化对及时、准确了解肿瘤的发生、发展规律具有重要价值。然而，活体状态下实现肿瘤代谢物的定量、动态监测仍然存在挑战。表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman scattering, SERS)作为一种光学技术具有高灵敏度、高特异性、多事件同步监测等特点，在肿瘤代谢物可视化方面具有巨大的潜力，但目前缺乏对该领域进展的全面认识。近日，复旦大学药学院李聪教授团队对用于肿瘤代谢分子可视化的响应型SERS探针相关进展进行了系统总结，该工作以题为《可视化肿瘤相关代谢物的响应型表面增强拉曼散射探针》（Emergence of Responsive Surface-Enhanced Raman Scattering Probes for Imaging Tumor-Associated Metabolites）综述文章发表在《Advanced Healthcare Materials》杂志。该综述介绍了响应型SERS探针的设计原则，分析了肿瘤代谢物触发SERS信号的机制，讨论了响应型SERS探针在生物医学研究和临床转化中面临挑战和机遇。
图1.响应型SERS探针在可视化肿瘤相关代谢物方面的优势，包括高灵敏度、高特异性、多事件监测能力和信号鲁棒性。
设计具有高灵敏度、特异性和高响应性的SERS探针是定量检测肿瘤代谢物的前提。响应型SERS探针通常由金属基底、响应型拉曼报告分子和保护层三部分组成(图2)。不同基底材料及其几何形状的排列组合可以产生不同的效果。基底材料可以是贵金属(金，银等)和无机纳米材料(石墨烯，氮化硼，半导体等)，其几何形状被塑造成球，棒，星，内部纳米间隙等等。拉曼报告分子为SERS探针提供一个独特的指纹图谱，同时检测多种代谢分子需要满足以下几个要求:(1)报告分子应具有特征化学结构。它们将产生标志性的拉曼图谱，在复杂生物样品拉曼光谱中识别目标代谢物。此外，这些报告分子必须具有相互交错的指纹峰，方便彼此区分和辨认。(2)报告分子应具有较大的拉曼截面，这是高灵敏度检测多个目标代谢物的前提。(3)这些报告分子可以很方便地修饰在纳米金基底表面。另外，保护层对提高SERS探针的生物相容性、减少非特异性聚合也很重要。目前包括聚乙二醇和二氧化硅是最常用的保护层材料。因此，与传统有机荧光染料相比，SERS探针的结构更加复杂，需要进行系统、合理、全面的设计。
图2.响应型SERS探针的主要组成。响应型SERS探针通常由金属基底、响应型拉曼报告分子和保护层组成。
响应型SERS探针的响应机制概括来说主要是目标代谢分子与SERS探针中特定响应基团的相互作用，在反映前后产生不同的SERS信号。目前，SERS探针响应机制可分为强度响应型、比率响应型和拉曼位移响应型三种（图3）。（1）强度变化型。目标代谢物对热点结构的构建或破坏将导致SERS强度的显著变化，这为响应性SERS探针的设计提供了基本路径。目前基于SERS强度变化的设计机制主要分为聚集型、距离中介型和竞争结合型三种。（2）比率响应型。拉曼信号强度会受到设备、基底状态、探针浓度等许多参数影响，从而可能会干扰代谢物量化，导致结果失真。比率型探针采用自身信号作为内部参比，降低了定量失真问题的可能性。该工作介绍了两种最典型的SERS探针比率响应策略:双SERS探针诱导比率信号策略和单SERS探针诱导比率信号策略。（3）拉曼位移变化型。SERS报告分子与目标分析物反应前后的信号差异反映在拉曼波数偏移上。通过建立频移和代谢物浓度之间相关性，可以准确地测定代谢物浓度。
图3.响应型SERS信号的机制示意图。SERS响应机制包括: 强度响应型、比率响应型和位移响应型。
自SERS技术被发现以来，其高灵敏度、高特异性、多事件检测能力、样品制备方便等优点备受关注。由于每一种代谢物在拉曼光谱中都有其独特的“指纹”，同时识别多种代谢物具有可行性，为描绘肿瘤的代谢边界和追踪体内转移性癌细胞提供了前所未有的机遇。展望未来，SERS探针在生物医学领域的应用仍面临挑战。首先，SERS探针在检测肿瘤内代谢物时的灵敏度容易因组织深度、外部环境引发的探针分布不均等因素降低。其次，由于从复杂拉曼光谱中快速、定量检测目标代谢物存在困难，因此开发自动分析拉曼光谱并快速定量代谢物浓度的深度学习系统是重要发展方向。第三，临床转化是SERS探针面临的关键挑战。SERS探针临床转化过程中需要解决的问题包括质量标准化、活体条件下的生物相容性和长期毒性。上述问题的解决将大大推动SERS探针的临床应用，包括肿瘤分子边界的定位，过继性免疫细胞或干细胞无创追踪等。
复旦大学药学院博士生尹航、金子义为该论文的共同第一作者。复旦大学药学院韩丽妹博士和李聪教授为论文的共同通讯作者。研究获得国家重点研发计划，国家杰出青年基金，上海市脑与类脑智能基础转化应用研究市级科技重大专项，上海市科学技术委员会和复旦大学双一流项目的支持。
Abstract: As a core hallmark of cancer, metabolic reprogramming alters the metabolic networks of cancer cells to meet their insatiable appetite for energy and nutrient. Tumor-associated metabolites, the products of metabolic reprogramming, are valuable in evaluating tumor occurrence and progress timely and accurately because their concentration variations usually happen earlier than the aberrances demonstrated in tissue structure and function. As an optical spectroscopic technique, surface-enhanced Raman scattering (SERS) offers advantages in imaging tumor-associated metabolites, including ultra-high sensitivity, high specificity, multiplexing capacity, and uncompromised signal intensity. This review first highlights recent advances in the development of stimuli-responsive SERS probes. Then the mechanisms leading to the responsive SERS signal triggered by tumor metabolites were summarized. Furthermore, biomedical applications of these responsive SERS probes, such as the image-guided tumor surgery and liquid biopsy examination for tumor molecular typing, are summarized. Finally, the challenges and prospects of the responsive SERS probes for clinical translation are also discussed.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adhm.202200030
