使用极化led检测癌症进展

体内癌症诊断:内窥镜尖端自旋发光二极管技术示意图。

资料来源：东京工业大学学院

最多癌症在表面层首先出现消化系统，然后进入更深层。虽然表面层癌可以使用易于处理内窥镜在美国，已经扩散到更深层次的癌症需要手术干预，以防止它们转移到淋巴结或其他器官。因此，在不损害组织的情况下，准确测量肿瘤进展深度，对于获得有用的信息，以作出治疗相关的决定是重要的。

当前的内窥镜诊断技术，如窄带成像只能确认癌症的存在并区分肿瘤和非肿瘤组织。存在很少的直接测量技术，可以提供对癌的深度和面积的定量诊断。

为了解决这一问题，东京工业大学的西泽Nozomi博士领导的多国研究小组最近进行了一项研究，以证明一种新型癌症诊断使用圆偏振光的技术。

他们的方法依赖于圆偏振光如何与健康和不健康细胞相互作用。“从生物组织散射的圆偏振光的去极化依赖于细胞核的结构变化，这可以为检测隐藏在健康组织中的癌症提供有价值的信息，”Nishizawa博士解释说。

实验设置的生物组织（左）示意图中癌症诊断技术的实验证明。波长为914nm波长的激光束是使用光学过滤器右侧圆偏振，然后聚焦在样品上。以φ的发射角检测散射光。（右）沿线扫描线扫描的实验结果，这在多次癌症和健康区域之间的边界。上图显示了一种微观视野，癌伴侣被蓝色虚线包围。下图显示了散射光的圆形偏振的位置依赖性，其根据组织状态而变化。

该团队通过将近红外圆偏振光照射到含有转移灶的小鼠肝脏切片组织样本上，实验证明了这一事实，转移灶来自于脾内注射的人类胰腺癌细胞。他们观察到，根据生物组织的状态，从样本中散射出来的光的圆偏振度存在明显的差异，这表明，用这种技术来识别癌症是可能的。

此外，通过结合圆偏振光散射现象的数值模拟计算研究，该团队还证明，可以通过操纵探测角度获得生物组织的深度剖面。简而言之，当散射光的发射角接近垂直时，目标生物组织中的采样深度变深。因此，这种对发射角的依赖提供了有关组织深度剖面的信息，或者换句话说，癌症向更深层发展的信息。

设计内窥镜探针的横截面用于癌症进展的体内诊断探针由一个作为辐射源，抛物面镜子和一些旋转极化光电二极管（Spin-PDS）组成的一个旋转LED组成，其是探测器圆偏振光。圆偏振光从旋转LED照射到组织上。散射光束根据抛物面镜子根据它们的发射角分离，然后通过每个旋转PD分别检测光束。细节描述于Nishizawa等，JJAP 59，Seeg03（2020）。

资料来源：东京工业大学学院

然而，要使这种诊断方法可行，必须解决一个技术难题:圆偏振光不能在不失去偏振的情况下通过光纤。因此，在体内使用圆偏振光需要一个紧凑的圆偏振光光源。研究人员开发的自旋发光二极管(led)器件有望成为这种光源。

2017年，他们成功地创造了自旋led，能够在室温下发射几乎纯圆偏振光。Nishizawa博士说:“通过结合我们基于圆偏振光散射和自旋led设备的新技术，我们将能够确定体内癌前病变的进展。”为此，研究小组在最近的研究中设计了包含圆偏振led的内窥镜探头结构，可以同时探测不同发射角度的散射光。

研究人员希望这项技术将来能在溃疡性结肠炎和酒精性肝硬化的诊断中得到应用。此外，该方法还可用于对植体的观察再生医学和移植手术。

该研究结果已发表在《科学》杂志上中国生物学学杂志．