Point-of-Care mit Raman: Erkennung von Krebs, Infektionen und mehr

25.03.2024

Artikel

Die medizinische Industrie ist ein neues Betätigungsfeld für die Raman-Spektroskopie. In den letzten Jahren wurde die Raman-Spektroskopie in der Zahn- und Krebsforschung eingesetzt und baut nun auf diesem Erfolg auf, indem sie auf Point-of-Care-Anwendungen (POC) ausgeweitet wird. Dieser Artikel gibt einen Überblick über einige sehr neue und spannende Forschungsarbeiten zur Nutzung der Raman-Spektroskopie für den Nachweis von Krebsgewebe, Biomarkern für Krankheiten und Krankheitserregern.

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Erkennung von Knocheninfektionen mit einem tragbaren Raman-Spektrometer
Raman-Spektroskopie zur Krebserkennung
Traditionelle Raman-Spektroskopie zur Beurteilung von Brustkrebs
SERS zur Erkennung und Messung von Bauchspeicheldrüsenkrebs-Biomarkern
Schneller Point-of-Care (POC)-Assay zum Nachweis von COVID-19 auf Femtogrammebene
Multiplex-Immunphänotypisierung von Blut- und Brustkrebszellen mittels Raman-Spektroskopie
Einfacher Nachweis von Enzymen mit dem elektrochemischen SERS-Effekt

Erkennung von Knocheninfektionen mit einem tragbaren Raman-Spektrometer

Infektionsbedingte Komplikationen sind ein ernstes Problem bei der Verwendung menschlicher Knochentransplantate in der muskuloskelettalen Chirurgie. Staphylococcus epidermidis und Staphylococcus aureus sind die häufigsten Übeltäter bei knochenbedingten Infektionen, und die Behandlung dieser Bakterien ist äußerst schwierig.

Raman-Spektroskopie zur Krebserkennung

Die "molekularen Fingerabdrücke" der Raman-Spektroskopie können empfindlich genug sein, um chemische Veränderungen zu erkennen, die mit Krankheiten einhergehen. Kompakte Raman-Spektrometer können Chirurgen bei der Beurteilung von Tumoren während chirurgischer Eingriffe helfen, um schneller Entscheidungen treffen zu können. In den folgenden Abschnitten werden Anwendungsbeispiele für Brustkrebs und Bauchspeicheldrüsenkrebs erörtert.

Traditionelle Raman-Spektroskopie zur Beurteilung von Brustkrebs

Bei Verdacht auf Brustkrebs ist in der Regel eine Operation zur Biopsie und eine zweite zur Entfernung des bösartigen Tumors erforderlich. Die Möglichkeit, verdächtiges Gewebe bereits während der ersten Operation zu beurteilen, ermöglicht eine sofortige Entfernung, falls erforderlich. Der Nutzen für den Patienten und die medizinische Industrie ist unschätzbar - und die Forschung deutet darauf hin, dass die Raman-Spektroskopie diesen Bedarf bei einigen Krebsarten decken kann.

Die Raman-Spektroskopie ist empfindlich genug, um Veränderungen im Gewebe zu erkennen, die bei vielen Krebsarten auftreten. So gibt es beispielsweise sehr feine Unterschiede in den Raman-Spektren von gesundem Brustgewebe und bösartigen Tumoren. Forscher im Vereinigten Königreich verwendeten ein hochauflösendes i-Raman-Laborgerät (Abbildung 1) und multivariate Werkzeuge, einschließlich PCA, zur erfolgreichen Unterscheidung von gesundem und krebsartigem Gewebe [2].

SERS zur Erkennung und Messung von Bauchspeicheldrüsenkrebs-Biomarkern

SERS (oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie) kann eine Lösung sein, wenn Standard-Raman für die Analyse nicht ideal ist. Dies kann der Fall sein, wenn sich das Zielobjekt in einer komplexen Probenmatrix befindet oder aufgrund der Fluoreszenz von Molekülen auf Kohlenstoffbasis. SERS verstärkt das Raman-Signal, aber nicht das konkurrierende Fluoreszenzsignal. Außerdem ermöglicht der SERS-Effekt eine empfindliche Detektion von Analyten in mg/L-Konzentrationen - manchmal bis hinunter zu µg/L. Schließlich sind die SERS-Peaks scharf und gut definiert, was eine effiziente Detektion und Identifizierung der Zielanalyten ermöglicht.

Wenn Sie mehr über SERS erfahren möchten, lesen Sie unseren früheren Blogbeitrag zu diesem Thema.

Raman vs. SERS… Was ist der Unterschied?

Bauchspeicheldrüsenkrebs ist tödlich, auch weil er schwer zu diagnostizieren ist. Es gibt jedoch einige Biomarker, die in ~75 % der positiven Fälle in erhöhter Konzentration vorhanden sind [3]. Diese können mit Enzymimmunoassays (ELISA) nachgewiesen werden, mit denen eine Vielzahl von Biomarkern, darunter Antikörper, Antigene und Proteine, gemessen werden.

In einer neuen Technik wurde an der Universität von Utah ein i-Raman-Laborspektrometer für die SERS-Analyse in Verbindung mit ELISA eingesetzt, um ein mit Bauchspeicheldrüsenkrebs assoziiertes Antigen nachzuweisen [2]. Das SERS-Signal wurde von einem Reportermolekül erzeugt, das sowohl mit einem Goldnanopartikel als auch mit dem Zielanalyten in einem ansonsten klassischen Lateral-Flow- oder "Sandwich"-Immunoassay komplexiert war (Abbildung 2). Es handelt sich um eine unglaublich genaue Technik, die einen sehr empfindlichen Nachweis - mit der Möglichkeit der Quantifizierung - des interessierenden Biomarkers ermöglicht.

Schneller Point-of-Care (POC)-Assay zum Nachweis von COVID-19 auf Femtogrammebene

Multiplex-Immunphänotypisierung von Blut- und Brustkrebszellen mittels Raman-Spektroskopie

In einer anderen Studie wurde MIRA DS verwendet, um einen tragbaren SERS-basierten ELISA für die Immunphänotypisierung verschiedener Arten von Oberflächen roter Blut- und Brustkrebszellen zu bewerten [5]. Die Unterscheidung zwischen gesunden und kranken Zellen und die Erkennung mehrerer Biotargets in einer Probe kann eine fundierte Behandlung verschiedener Arten von Brustkrebs unterstützen.

Dieser Test wies "Spezifität, Empfindlichkeit und Wiederholbarkeit für die Immunphänotypisierung in verschiedenen Zelltypen auf, [wobei] im Vergleich zu herkömmlichen Multiplex-Immunoassays ein kleineres Analyseprobenvolumen verwendet wurde", und er war weniger "arbeitsintensiv und technisch einfach durchzuführen". Die Autoren lobten den Orbitalen Raster Scan von MIRA für die Verbesserung der Empfindlichkeit ihres Assays durch einen größeren Bereich der Abfrage und räumlich gemittelte Messungen.

Herkömmliche Multiplexing-Durchflussassays können durch die Verfügbarkeit verschiedenfarbiger Färbungen und die schwierige Interpretation der Ergebnisse eingeschränkt sein. Außerdem sind sie mit einem großen Platzbedarf im Labor verbunden. Im Gegensatz dazu bietet diese auf der tragbaren Raman-Spektroskopie basierende Methode das Potenzial für genaue POC-Ergebnisse mit einer kurzen Probe-zu-Ergebnis-Zeit, Multiplexing-Fähigkeit und einem sehr kompakten Instrument.

Einfacher Nachweis von Enzymen mit dem elektrochemischen SERS-Effekt

Fazit

Die Raman-Technologie wird wirklich auf innovative Weise genutzt. Forschungsgruppen auf der ganzen Welt nutzen ihre beträchtlichen Vorteile - wie Empfindlichkeit, Spurendetektion, kleiner Formfaktor und schnelle Ergebnisse - für den Nachweis von Krebsgewebe, Krankheits-Biomarkern und krankheitsverursachenden Erregern. Die Ergebnisse sind unglaublich spannend und vielversprechend!