拉曼光譜：透視職業病塵肺背后的“分子指紋”

粉塵之下，呼吸之痛，科技之光正在照亮肺部纖維化的隱秘角落。

你是否想象過，一束光就能揭示出肺部深處的病變？中國科學家利用共聚焦拉曼光譜技術，成功“拍攝"到了煤塵暴露下肺組織的生化變化圖譜，為煤工塵肺病（CWP）的早期診斷和機制研究提供了全新視角。

這項研究發表于《PeerJ》期刊，由安徽理工大學工業粉塵控制與職業健康教育部重點實驗室團隊完成。他們不僅建立了煤工塵肺小鼠模型，還系統應用拉曼光譜技術精準捕捉了肺纖維化過程中的分子變化。

01 塵肺之痛：看不見的職業健康危機

煤工塵肺病，是由于長期吸入煤塵或礦物粉塵引起的職業性肺病。據統計，截至2024年，中國報告的職業病中，塵肺病占90%以上，其中煤工塵肺是主要類型。

患者肺組織會逐漸纖維化，支氣管扭曲變窄，常伴有慢性阻塞性肺疾病（COPD），嚴重損害肺功能。傳統診斷依賴X光和組織活檢，既滯后又有創傷。

有沒有一種方法，能在病變早期就精準捕捉到肺部的生化變化？拉曼光譜技術給出了肯定的答案。

02 一束光，一張分子“指紋圖譜"

共聚焦拉曼光譜是一種非破壞性、免標記的光學技術。它通過激光與分子振動相互作用，獲取獨特的光譜信號，就像是每個分子的“指紋"。研究團隊對三組小鼠進行了對比：分別是對照組（NS）、煤塵暴露1個月組（CWP-1M）、煤塵暴露3個月組（CWP-3M）。通過拉曼光譜掃描肺組織切片，他們發現了一系列特征峰的變化，精準反映了膽固醇、脂質、膠原蛋白、核酸等關鍵分子的含量變化。

圖1：從 NS、CWP-1M 和 CWP-3M 組小鼠采集的平均拉曼光譜的指紋區。

03 肺癌背后的分子劇變

1、煤塵暴露對小鼠生理與肺病理的影響

體重與肺功能：CWP 組小鼠暴露 3 天后體重驟降，15 天低于基線；CWP-3M 組呼吸頻率顯著升高，CWP-1M 與 CWP-3M 組 Ti/Te 比值（呼吸周期對稱性指標）顯著低于 NS 組（P<0.05），提示肺功能受損。

病理改變：H&E 染色顯示---NS 組肺泡結構正常、炎癥細胞極少；CWP-1M 組炎癥細胞浸潤、肺泡結構破壞；CWP-3M 組炎癥加重、氣管壁增厚、煤塵顆粒在氣管周圍堆積，肺間質炎癥惡化。

2、拉曼光譜揭示的肺組織生化變化

特征峰差異：

膽固醇（548和1087 cm?1波段）：CWP-1M 組強度顯著高于 NS 組與 CWP-3M 組（P<0.0001），反映早期細胞膜損傷和炎癥啟動

磷脂（1080 cm?1和465cm?1 ）：1080cm?1 峰 CWP-1M 組高（P<0.0001），1465cm?1 峰 CWP-1M 組低，提示磷脂 bilayer 變化，反映細胞膜結構變化

膠原蛋白（1248和1448 cm?1）：CWP-3M 組強度顯著高于其他兩組（P<0.001），與纖維化程度正相關

氨基酸（750cm?1、850cm?1 、1004cm?1、1036cm?1 、1123cm?1和 1552 cm?1）：CWP-1M 組多數氨基酸峰強度升高，但苯丙氨酸（1004cm?1）峰降低，提示氨基酸代謝紊亂。

圖2：不同組間拉曼譜帶強度的比較。對不同組的拉曼譜帶強度進行定量，以評估（A）膽固醇（548 和 1087 cm?1）、（B）脂質（1090 和 1658 cm?1），以及（C）氨基酸（750、850、1004、1036、1123 和 1552 cm?1）。采用單因素方差分析（ANOVA）結合事后 Tukey 檢驗。結果以均值 ± 標準誤（SEM）表示。一個星號(*)表示 P<0.05，三個星號（***）表示 P≤0.001。

這些變化通過免疫組化結果得到了驗證——炎癥標志物NF-κB、纖維化相關p53、增殖標志Ki67和凋亡蛋白Bax的表達趨勢與拉曼光譜結果高度一致。

3、病理與光譜結果的一致性

炎癥與凋亡：CWP-1M 組 NF-κB（炎癥）和 Bax（凋亡）表達高，與膽固醇、細胞色素 C 的拉曼峰強度變化一致；

纖維化與增殖：CWP-3M 組 p53（纖維化）和 Ki67（增殖）表達高，與膠原、核酸的拉曼峰強度變化一致；

膠原檢測：Masson 染色顯示 CWP-3M 組膠原含量顯著升高，而 Sirius Red 染色因煤塵自發熒光干擾，結果不可靠；拉曼光譜（1248/1448cm?1）與 Masson 染色結果匹配。

04 技術突破：為何拉曼光譜更適合塵肺檢測？

與傳統組織染色方法相比，拉曼光譜具有明顯優勢：

無需染色，避免化學試劑干擾；

可定量分析，精準反映分子含量；

避免煤塵自發熒光干擾——研究發現，常規Sirius Red染色在偏光鏡下會因煤塵折射而誤判，而拉曼光譜則無此問題。

研究人員表示：“拉曼光譜不僅能區分健康與病變組織，還能區分不同階段的纖維化程度。"

05 未來展望：從實驗室到礦場的可能性

這項研究的價值不僅在于揭示了煤工塵肺的分子機制，更在于為早期診斷提供了潛在工具。

拉曼技術未來可能開發成：

便攜式塵肺篩查設備；

肺泡灌洗液的光譜快速檢測；

療效評估的無創監測手段。

結語：科技賦能，守護人類健康

研究人員總結道：“將拉曼光譜用于煤工塵肺的生化分析，膽固醇、脂質、膠原蛋白等拉曼波段有望成為炎癥和纖維化的生物標志物。"

科技的意義不僅在于發表論文，更在于照亮那些曾被忽視的角落。或許不久的將來，礦工們只需對著儀器呼一口氣，就能知道自己的肺部是否安全。

參考文獻：

Wang, W., Mu, M., Zou, Y., Li, B., Cao, H., Hu, D., & Tao, X. (2022). Inflammation and fibrosis in the coal dust-exposed lung described by confocal Raman spectroscopy. PeerJ, 10, e13632.

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