前沿技术丨相干拉曼散射显微成像技术：照亮抗癌药物研究的新工具！

抗癌药临床开发失败率高（过去十年获FDA批准仅5%），关键原因之一是缺乏高分辨率的原位动态监测手段。在抗癌药物研发的漫长征程中，科学家们一直在寻找一种能够“看见”药物在细胞内行为的“眼睛”。如今，相干拉曼散射显微成像技术（CRS）正成为这双眼睛：北京航空航天大学岳蜀华教授团队通过相干拉曼散射显微成像技术（Coherent Raman Scattering，CRS），以其独特的“无标记分子成像”能力，为抗癌药研发开辟新路径（图1 ）。

图1 Zeng, Junjie et al. “Coherent Raman Scattering Microscopy in Oncology Pharmacokinetic Research.” Frontiers in pharmacology . 2021

技术原理：无标记的显微镜技术

图2 展示了CRS显微镜的工作原理：通过调节泵浦光与斯托克斯光的频率差以匹配分子振动频率，从而增强拉曼信号，实现高灵敏度成像

相干拉曼散射显微成像技术是一种基于拉曼散射原理（图2），利用两个超短脉冲激光束（泵浦光和斯托克斯光），通过调节其频率差（ωp - ωs）以匹配分子振动频率（Ω），从而显著增强拉曼散射信号，实现高灵敏度成像。该技术还具有更高的空间分辨率，低水背景干扰等优势，尤其适用于活体生物系统研究。相干拉曼散射显微成像技术在肿瘤药代动力学研究中展现出广泛的应用前景，主要包括以下方向：

单细胞中抗癌药物的药代动力学

图3 CRS显微镜在肿瘤药代动力学研究中代表性应用实例：单细胞药物研究

• 酪氨酸激酶抑制剂的细胞内富集机制

2014年谢晓亮院士团队首次通过高光谱相干拉曼散射显微镜，实现了对慢性粒细胞白血病一线药物—— 尼洛替尼（一种酪氨酸激酶抑制剂）在 BaF3/BCR-ABL1 活细胞内的无标记可视化（Fu et al., 2014）。研究发现，尼洛替尼在细胞内的溶酶体中富集程度超过 1000 倍，这一现象与药物的低溶解度密切相关。更重要的是，该研究通过相干拉曼散射显微成像技术直接观察到氯喹（一种溶酶体抑制剂）可通过破坏溶酶体的酸性环境，减少尼洛替尼在溶酶体中的 “隔离”，从而增强药物与靶点（BCR-ABL1 蛋白）的结合效率。这一发现揭示了 “溶酶体介导的药物 - 药物相互作用” 这一新机制，为优化酪氨酸激酶抑制剂的给药方案提供了关键依据（图3）。

• 耐药细胞中药物摄取的动态变化

2020年，Hulme团队利用炔基标记的相干拉曼散射显微成像技术，在纳摩尔浓度（与临床用药浓度接近）下追踪了另一种酪氨酸激酶抑制剂：波纳替尼。该抑制剂在KCL22Pon-Pes 耐药细胞模型中的分布（Sepp et al., 2020）。通过对比正常细胞与耐药细胞在 1 小时、6 小时、24 小时和 48 小时的 相干拉曼图像（图3），发现耐药细胞对波纳替尼的摄取量显著降低，且药物在细胞内的 “隔离”（如被转运至囊泡中）减少，导致有效作用于靶点的药物浓度下降。这一结果直接显示了 “药物摄取减少” 和 “细胞内分布异常” 是波纳替尼耐药的重要机制，为开发逆转耐药的策略（如调节药物转运蛋白活性）提供了可视化证据。

固体状态药物递送载体的活性

图4 展示了CRS显微镜在肿瘤药代动力学研究中的代表性应用实例：固体状态药物递送载体

该方向利用CRS显微镜的化学选择性和高空间分辨率，无标记分析固体药物制剂（如片剂）中活性成分（API）与辅料的分布、多晶型差异及稳定性，为药物剂型优化和质量控制提供核心数据。图4展示了相干拉曼散射显微成像技术对不同药企生产的片剂的成分分析（Slipchenko et al., 2010）。研究以氨氯地平苯磺酸盐（一种降压药API）为对象，通过不同波长的 相干拉曼信号（对应不同分子振动），将片剂中的微晶纤维素（绿色）、无水磷酸氢钙（蓝色）、API（红色）、淀粉乙醇酸钠（黄色/橙色）和硬脂酸镁（品红色）进行精准定位和区分。更重要的是，该研究发现不同药企的片剂存在显著成分异质性：例如，Pfizer的片剂中API分布均匀，而Apotex的片剂中黄色区域对应乳糖一水合物和玉米淀粉（而非其他厂商的淀粉乙醇酸钠），这一差异可能影响药物的溶解速率和生物利用度。

相干拉曼散射显微成像技术在此的核心价值在于：无需破坏片剂结构，即可实现微米级分辨率的成分分布成像，且能识别API的多晶型（不同晶型的振动峰存在差异）。这对于确保药物在储存和运输过程中的稳定性（如避免晶型转变导致的药效下降）、验证生产工艺的一致性（如辅料混合均匀性）具有不可替代的作用，直接满足了制药行业“质量源于设计（QbD）”的监管要求。

纳米载体在单细胞水平研究

图5 展示了CRS显微镜在肿瘤药代动力学研究中的代表性应用实例：纳米载体的活动研究

该方向聚焦于利用CRS显微镜追踪抗癌药物纳米载体（如PLGA纳米颗粒）的细胞摄取路径、亚细胞分布及与细胞的相互作用，为优化纳米载体的靶向性和生物相容性提供可视化依据。图5展示了炔基标记的聚乳酸- 羟基乙酸共聚物（PLGA）纳米颗粒在原代小胶质细胞中的 SRS 成像结果（Vanden-Hehir et al., 2019）。研究通过在PLGA分子中引入炔基（一种具有独特拉曼峰的“生物正交标签”），利用相干拉曼散射显微成像技术在2218 cm^-1处的特异性信号，直接观察到纳米颗粒被小胶质细胞摄取后的亚细胞定位：纳米颗粒主要聚集在溶酶体附近，部分被溶酶体包裹，提示纳米颗粒可能通过“内吞 - 溶酶体转运”路径进入细胞。

该试验体现了CRS技术通过纳米载体自身的化学标签实现无干扰成像，可长期追踪其在细胞内的动态。此外，通过相干拉曼散射显微成像技术还能同时观察纳米颗粒与细胞结构（如蛋白质、脂质）的相互作用，为解析纳米载体的“胞内命运”提供了直接证据，助力设计更高效的抗癌药物纳米递送系统。

综上，相干拉曼散射显微成像技术以无标记、高分辨率、高化学选择性的核心优势，突破传统技术局限，在单细胞抗癌药物药代动力学、固体药物制剂质量控制、纳米载体胞内追踪等领域提供关键可视化支撑，既揭示药物作用新机制，又满足制药行业监管需求。未来随着技术迭代，相干拉曼散射显微成像技术将进一步打通抗癌药研发全链条瓶颈，为降低临床失败率、推动精准抗癌注入新动能。

作为相干拉曼散射显微成像技术产业化的关键推动者，振电科技此次主办“第二届化学成像前沿科技及应用高端论坛”，不仅搭建了技术交流平台，更让相干拉曼散射显微成像技术从研发走向应用的实践路径清晰呈现。而该技术领域的核心研究者之一的北京航空航天大学岳蜀华教授，也受邀出席论坛并带来《受激拉曼代谢成像助力精准医学》主题报告。报告中，岳蜀华教授团队聚焦相干拉曼散射显微成像技术，详解其凭借无标记、高灵敏等优势，实现活细胞生物小分子代谢动态定量检测的突破，以及在疾病分子标志物研究中为精准诊疗提供的新路径。这一分享与振电科技深耕相干拉曼技术产业化的方向高度契合，也呼应了岳蜀华教授团队此前这篇综述“Coherent Raman Scattering Microscopy in Oncology Pharmacokinetic Research”的研究成果：通过相干拉曼散射显微成像技术揭示“溶酶体介导的药物相互作用”等机制，为抗癌药研发提供支撑，而本次论坛报告则使该技术在精准医学领域应用的进一步延伸，让相干拉曼散射显微成像技术从基础研究到产业落地的链条更趋完整。

如果您对CRS技术或其在新药研发中的应用感兴趣，欢迎关注振电科技后续活动，共同推动这一前沿技术的产业化进程。

参考文献：

Zeng J, Zhao W, Yue S. Coherent Raman Scattering Microscopy in Oncology Pharmacokinetic Research. Front Pharmacol. 2021;12:630167. doi:10.3389/fphar.2021.630167