Point-of-Care z Ramanem: Wykrywanie raka, infekcje i nie tylko

25 mar 2024

Artykuł

Przemysł medyczny jest nową perspektywą dla spektroskopii Raman. W ciągu ostatnich kilku lat Raman został wykorzystany w badaniach stomatologicznych i nowotworowych, a obecnie opiera się na tych osiągnięciach poprzez rozszerzenie aplikacji Point-of-Care (POC). Niniejszy artykuł zawiera przegląd bardzo nowych i ekscytujących badań nad wykorzystaniem spektroskopii Ramana do wykrywania tkanki nowotworowej, biomarkerów chorób i patogenów wywołujących choroby.

Kliknij poniższe łącze, aby przejść bezpośrednio do wybranego tematu:

Wykrywanie chorób kości za pomocą ręcznego spektrometru ramanowskiego
Spektroskopia ramanowska do wykrywania raka
Tradycyjna spektroskopia ramanowska w badaniu raka piersi
SERS do wykrywania i pomiaru biomarkerów raka trzustki
Szybki test Point-of-Care (POC) do wykrywania COVID-19 na poziomie femtograma
Wielokrotne immunofenotypowanie krwi i komórek raka piersi za pomocą spektroskopii Ramana
Łatwe wykrywanie enzymów za pomocą elektrochemicznego efektu SERS

Wykrywanie chorób kości za pomocą ręcznego spektrometru ramanowskiego

Powikłania związane z infekcjami stanowią poważny problem w przypadku stosowania ludzkich przeszczepów kostnych w chirurgii układu mięśniowo-szkieletowego. Staphylococcus epidermidis i Staphylococcus aureus są najczęstszymi winowajcami infekcji związanych z kośćmi, a leczenie tych bakterii jest niezwykle trudne.

Spektroskopia ramanowska do wykrywania raka

Widma "molekularnego odcisku palca" Ramana mogą być wystarczająco czułe, aby wykryć zmiany chemiczne towarzyszące chorobie. Kompaktowe spektrometry Ramana mogą pomóc chirurgom w ocenie guzów podczas zabiegów chirurgicznych w celu szybszego podejmowania decyzji. Przykłady zastosowań dla raka piersi i raka trzustki omówiono w kolejnych punktach.

Tradycyjna spektroskopia ramanowska w ocenie raka piersi

W przypadku podejrzenia raka piersi zwykle konieczna jest operacja w celu wykonania biopsji, oraz kolejna w celu usunięcia złośliwych guzów. Możliwość oceny podejrzanych tkanek podczas wstępnej operacji pozwala na ich natychmiastowe usunięcie, jeśli jest to konieczne. Korzyści dla pacjenta i przemysłu medycznego są nieocenione - a badania sugerują, że spektroskopia ramanowska może być w stanie zaspokoić tę potrzebę w przypadku niektórych rodzajów raka.

Spektroskopia ramanowska jest wystarczająco czuła, aby wykryć zmiany w tkance, które wynikają z wielu rodzajów raka. Na przykład, istnieją bardzo subtelne różnice w widmach Ramana zdrowej tkanki piersi i nowotworów złośliwych. Naukowcy z Wielkiej Brytanii wykorzystali urządzenie laboratoryjne i-Raman o wysokiej rozdzielczości (rysunek 1) oraz narzędzia wielowymiarowe, w tym PCA, do skutecznego rozróżnienia tkanek zdrowych i nowotworowych [2].

SERS do wykrywania i pomiaru biomarkerów raka trzustki

SERS (powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana) może być rozwiązaniem, gdy Raman nie jest optymalną metodą analizy. Może to mieć miejsce w sytuacjach, gdy cel znajduje się w złożonej matrycy próbki lub z powodu fluorescencji cząsteczek opartych na węglu. SERS wzmacnia sygnał Ramana, ale nie zwiększa poziomu sygnału fluorescencji. Ponadto efekt SERS umożliwia czułe wykrywanie analitów na poziomie mg/l - czasami nawet do µg/l. Wreszcie, piki SERS są ostre i dobrze zdefiniowane, umożliwiając skuteczne wykrywanie i identyfikację docelowych analitów.

Aby dowiedzieć się więcej o SERS, przeczytaj nasz poprzedni wpis na ten temat.

Raman vs SERS… Jakie są różnice?

Rak trzustki jest śmiertelny, częściowo dlatego, że trudno go zdiagnozować. Istnieją jednak pewne biomarkery, które są obecne na podwyższonym poziomie w ~75% pozytywnych przypadków [3]. Można je wykryć za pomocą testów immunoenzymatycznych (ELISA), które mierzą różne biomarkery, w tym przeciwciała, antygeny i białka.

W nowej technice, spektrometr laboratoryjny i-Raman został wykorzystany na Uniwersytecie w Utah do analizy SERS w połączeniu z testem ELISA w celu wykrycia antygenu związanego z rakiem trzustki [2]. Sygnał SERS został wygenerowany z cząsteczki reporterowej skompleksowanej zarówno z nanocząsteczką złota, jak i docelowym analitem w klasycznym teście immunologicznym z przepływem bocznym lub "kanapkowym" (rysunek 2). Jest to niezwykle dokładna technika, umożliwiająca bardzo czułe wykrywanie - z możliwością kwantyfikacji - biomarkera będącego przedmiotem zainteresowania.

Szybki test Point-of-Care (POC) do wykrywania COVID-19 na poziomie femtograma

Wielokrotne immunofenotypowanie krwi i komórek raka piersi za pomocą spektroskopii Ramana

W innym badaniu wykorzystano MIRA DS do oceny przenośnego testu ELISA opartego na SERS do immunofenotypowania różnych typów czerwonych krwinek i powierzchni komórek raka piersi [5]. Rozróżnianie zdrowych i chorych komórek oraz wykrywanie wielu biotargetów w jednej próbce może pomóc w świadomym leczeniu różnych rodzajów raka piersi.

Test ten charakteryzował się "specyficznością, czułością i powtarzalnością dla... immunofenotypowania w różnych typach komórek [przy użyciu] mniejszej objętości próbki analitycznej w porównaniu do konwencjonalnych... multipleksowych testów immunologicznych" i był mniej "pracochłonny i technicznie prosty do wykonania". Autorzy pochwalili Orbital Raster Scan firmy MIRA za poprawę czułości ich testu dzięki większemu obszarowi badania i przestrzennie uśrednionym pomiarom.

Tradycyjne multipleksowe testy przepływowe mogą być ograniczone dostępnością różnych kolorowych barwników i interpretacją wyników. Są one również związane z dużą powierzchnią laboratoryjną. W przeciwieństwie do tego, ta metoda oparta na ręcznej spektroskopii Ramana oferuje potencjał dokładnych wyników POC z krótkim czasem od pobrania próbki do uzyskania wyniku, możliwością multipleksowania i bardzo kompaktowym przyrządem.

Łatwe wykrywanie enzymów za pomocą elektrochemicznego efektu SERS

Podsumowanie

Technologia Raman jest obecnie wykorzystywana w innowacyjny sposób. Grupy badawcze na całym świecie stosują jej istotne zalety - w tym czułość, wykrywanie śladów, niewielkie rozmiary i szybkie wyniki - do wykrywania tkanki nowotworowej, biomarkerów chorób i patogenów chorobotwórczych. Odkrycia są niezwykle ekscytujące i obiecujące!