Экспресс-диагностика с помощью рамановской спектроскопии: выявление рака, инфекций и многого другого.

25 мар. 2024 г.

Статья

Медицинская промышленность открывает новые горизонты для рамановской спектроскопии. В последние несколько лет рамановская спектроскопия применялась в стоматологических исследованиях и исследованиях рака, а теперь, опираясь на этот успех, расширяет ее использование в приложениях для диагностики и лечения на месте оказания медицинской помощи (POC). В этой статье представлен обзор некоторых совершенно новых и интересных исследований по использованию рамановской спектроскопии для обнаружения раковых тканей, биомаркеров заболеваний и патогенов, вызывающих заболевания.

Нажмите на ссылку ниже, чтобы перейти непосредственно к интересующей вас теме:

Выявление костных инфекций с помощью портативного рамановского спектрометра.
Рамановская спектроскопия для обнаружения рака
Традиционная рамановская спектроскопия в оценке рака молочной железы
SERS для обнаружения и измерения биомаркеров рака поджелудочной железы
Экспресс-тест для обнаружения COVID-19 на фемтограммовом уровне, используемый непосредственно у постели больного.
Мультиплексное иммунофенотипирование клеток крови и рака молочной железы с помощью рамановской спектроскопии
Простое обнаружение ферментов с помощью электрохимического эффекта SERS.

Выявление костных инфекций с помощью портативного рамановского спектрометра.

Осложнения в виде инфекции являются серьезной проблемой при использовании костных трансплантатов человека в хирургии опорно-двигательного аппарата. Staphylococcus epidermidis и Стафилококк золотистый Они являются наиболее распространенными возбудителями инфекций костной ткани, и лечение этих бактерий крайне затруднительно.

Выявление стафилококковых бактерий на трансплантате и различение здоровой и пораженной кости имеют решающее значение для предотвращения инфекции. Традиционно для получения результатов лабораторных исследований требуется 7–10 дней, и существует риск загрязнения образцов во время транспортировки и тестирования. В положительных случаях пациенту необходимо провести ретроспективное лечение массивными дозами антибиотиков. Идеальным решением этой проблемы является анализ на месте, позволяющий хирургической бригаде выявлять и предотвращать поражение костной ткани непосредственно на месте.

Недавно исследовательская группа в Австрии продемонстрировала успешную дифференциацию между здоровыми и инфицированными образцами костной ткани, а также между двумя типами стафилококковых бактерий с помощью портативного рамановского спектрометра MIRA.1]. В ходе проведенного анализа были изучены характерные рамановские полосы фосфатов, амидов и коллагенов, а также различия в их интенсивности и соотношении ширины пиков, что позволило различить здоровую и пораженную костную ткань. Метод анализа главных компонентов (PCA) дополнял оптический анализ и использовался для более точного различения штаммов стафилококка.

Австрийская группа высоко оценила прибор MIRA за его «легкость, компактность и питание от батареи», а также за преимущество рамановской спектроскопии, заключающееся в «минимальной подготовке образцов и быстром получении результатов». Для проведения анализа требовался лишь крошечный образец костной ткани для исследования непосредственно во время операции, что позволяло получать быстрые и точные результаты прямо в операционной.

Рамановская спектроскопия для обнаружения рака

Спектры Рамана, представляющие собой «молекулярные отпечатки пальцев», могут быть достаточно чувствительными для обнаружения химических изменений, сопровождающих заболевание. Компактные рамановские спектрометры могут помочь хирургам оценивать опухоли во время хирургических операций, что позволяет быстрее принимать решения. Примеры применения для рак молочной железы и рак поджелудочной железы они обсуждаются в следующих разделах.

Team surgeon at work on operating in hospital .

Традиционная рамановская спектроскопия в оценке рака молочной железы

При подозрении на рак молочной железы обычно требуется одна операция для биопсии, а вторая — для удаления злокачественных опухолей. Возможность оценить состояние подозрительных тканей во время предварительной операции позволяет при необходимости немедленно их удалить. Польза для пациента и медицинской отрасли неоценима, и исследования показывают, что рамановская спектроскопия может удовлетворить эту потребность в отношении некоторых типов рака.

Рамановская спектроскопия достаточно чувствительна для обнаружения изменений в тканях, возникающих в результате многих типов рака. Например, существуют очень незначительные различия в спектрах Рамана здоровой ткани молочной железы и злокачественных опухолей. Исследователи из Великобритании использовали лабораторный прибор для высокоразрешающей спектроскопии i-Raman (Рисунок 1) и многомерные инструменты, включая метод главных компонент (PCA), для успешного различения здоровых и раковых тканей [2].

B&W Tek, BWT-840000673, BWT-840000674, BWT-840000675, i-Raman Prime, BWTEK

Figure 1. Портативный рамановский спектрометр i-Raman Prime 785S от Metrohm.

SERS для обнаружения и измерения биомаркеров рака поджелудочной железы

SERS (спектроскопия комбинационного рассеяния света с усилением поверхности) может быть решением в тех случаях, когда рамановская спектроскопия не является идеальным методом анализа. Это может быть причиной в ситуациях, когда целевой объект находится в сложной матрице образца, или из-за флуоресценции молекул на основе углерода. SERS усиливает рамановский сигнал, но не конкурирующий сигнал флуоресценции. Кроме того, эффект SERS позволяет чувствительно обнаруживать аналиты на уровне мг/л, а иногда и до мкг/л. Наконец, пики SERS являются резкими и четко выраженными, что позволяет эффективно обнаруживать и идентифицировать целевые аналиты.

Чтобы узнать больше о SERS, прочитайте нашу предыдущую статью в блоге на эту тему.

Рамановский метод против SERS… В чем разница?

Рак поджелудочной железы смертельно опасен, отчасти потому, что его трудно диагностировать. Однако существуют некоторые биомаркеры, которые присутствуют в повышенном количестве примерно в 75% положительных случаев.3]. Их можно обнаружить с помощью иммуноферментного анализа (ELISA), который измеряет различные биомаркеры, включая антитела, антигены и белки.

В рамках новой методики лабораторный спектрометр i-Raman, используемый в Университете Юты, применялся для SERS-анализа в сочетании с ELISA для обнаружения антигена, связанного с раком поджелудочной железы.2]. Сигнал SERS генерировался молекулой-репортером, комплексированной как с золотой наночастицей, так и с целевым аналитом в классическом иммуноанализе с боковым потоком или «сэндвич-иммуноанализе».Рисунок 2). Это невероятно точный метод, позволяющий очень чувствительно обнаруживать – с возможностью количественного определения – интересующий нас биомаркер.

Detection of an antigen associated with pancreatic cancer is possible with surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS).

Figure 2. Обнаружение антигена, связанного с раком поджелудочной железы, возможно с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света с усилением поверхности (SERS).

Экспресс-тест для обнаружения COVID-19 на фемтограммовом уровне, используемый непосредственно у постели больного.

Figure 3. MIRA XTR — портативный рамановский спектрометр от компании Metrohm.

Исследователи из Университета Вайоминга использовали альтернативный формат ИФА для обнаружения антигенных биомаркеров, связанных с инфекцией COVID-19.4]. В данном исследовании использовался метод, основанный на применении магнитных наночастиц, для концентрирования целевого биомаркера в растворе с целью последующего обнаружения методом SERS с помощью MIRA XTR.Рисунок 3). Оказалось, что этот метод более чувствителен, чем коммерческие экспресс-тесты на основе латерального потока, совместим как с образцами растворителей, так и со слюной, может быть адаптирован к новым вариантам вируса и обеспечивает высокочувствительную экспресс-диагностику COVID-19.

Иммуноферментный анализ с боковым потоком обеспечивает относительно быстрые результаты, но позволяет обнаруживать вещества на нанограммовом уровне и имеет ограничения в количественном определении. В сравнении с этим, ИФА на основе SERS чувствительнее к фемтограммовые количества антигена, с быстрыми результатами в пункте оказания медицинской помощи с помощью коммерческого портативного рамановского прибора.

Мультиплексное иммунофенотипирование клеток крови и рака молочной железы с помощью рамановской спектроскопии

В другом исследовании MIRA DS использовался для оценки портативного ИФА на основе SERS для иммунофенотипирования различных типов эритроцитов и поверхностей клеток рака молочной железы.5]. Различение здоровых и больных клеток, а также обнаружение множества биологических мишеней в одном образце может способствовать разработке обоснованных методов лечения различных видов рака молочной железы.

Illustration of red blood cells with cancer cells.

Этот анализ обладал «специфичностью, чувствительностью и воспроизводимостью для… иммунофенотипирования в различных типах клеток [с использованием] меньшего объема анализируемого образца по сравнению с традиционными… мультиплексными иммуноанализами», и он был «менее трудоемким и технически простым в выполнении». Авторы высоко оценили работу MIRA. Орбитальное растровое сканирование для повышения чувствительности анализа за счет большей площади исследования и пространственно усредненных измерений.

Традиционные мультиплексные проточные анализы могут быть ограничены доступностью красителей разных цветов и сложностью интерпретации результатов. Они также связаны с необходимостью размещения больших лабораторных площадей. В отличие от них, этот метод, основанный на портативной рамановской спектроскопии, потенциально позволяет получать точные результаты экспресс-диагностики с быстрым получением результата от образца, возможностью мультиплексирования и очень компактным прибором.

Простое обнаружение ферментов с помощью электрохимического эффекта SERS.

Прибор SPELECRAMAN638 от компании Metrohm выполняет спектроэлектрохимические измерения комбинационного рассеяния света с использованием лазера с длиной волны 638 нм.

Figure 4. Прибор SPELECRAMAN638 от компании Metrohm выполняет спектроэлектрохимические измерения комбинационного рассеяния света с использованием лазера с длиной волны 638 нм.

Компания Metrohm сообщила о совершенно ином методе SERS для характеристики биологических молекул [6]. Электрохимическая SERS (EC-SERS) способствует два эксперимента одновременно: электрохимическая активация характеристик SERS серебряных электродов (Ag SPE) с последующим спектроскопическим детектированием образца (с помощью SPELECRAMAN638, Рисунок 4).

В данном случае подложка для SERS создается непосредственно на месте из серебряных электродов (как нанесенных методом трафаретной печати, так и традиционных). Это достигается в присутствии аналита при непрерывном воздействии рамановского рассеяния для оптимизации обнаружения SERS-активных веществ. Возбуждение при длине волны 638 нм обеспечивает эффект SERS с высокой интенсивностью, при этом снижается риск повреждения образца и флуоресценции.

Определение структуры ферментов (и их роли в развитии заболеваний), таких как альдегиддегидрогеназа (АЛДГ), помогает понять природу заболеваний. С помощью EC-SERS специалисты по применению метода определили ранее не описанные характерные рамановские полосы ALDH в растворе. Аналогичным образом, окислительно-восстановительные состояния цитохрома с предоставляют информацию о транспорте электронов через клеточные мембраны [7]. В ходе эксперимента EC цитохром c изменяет степень окисления и конформацию, и эти окислительно-восстановительные состояния обладают различимыми спектрами SERS.

Заключение

Рамановская технология действительно находит инновационное применение. Исследовательские группы по всему миру применяют его значительные преимущества, включая чувствительность, обнаружение следовых количеств, малый форм-фактор и быстрые результаты, для выявления раковых тканей, биомаркеров заболеваний и патогенных микроорганизмов, вызывающих заболевания. Полученные результаты невероятно обнадеживающие и многообещающие!

[1] Линдтнер, Р. А.; Вурм, А.; Пирхнер, Э.; и др. Улучшение диагностики костных инфекций с помощью портативной рамановской спектроскопии: дифференциация патогенов и диагностический потенциал. IJMS 2023, 25 (1), 541. DOI:10.3390/ijms25010541

[2] Томас, Р.; Бакеев, К.; Клейборн, М.; Чименти, Р. Применение рамановской спектроскопии в диагностике рака. Спектроскопия 2013, 28 (9), 36–43.

[3] Гунетиллеке, К. С.; Сиривардена, А. К. Систематический обзор углеводного антигена (CA 19-9) как биохимического маркера в диагностике рака поджелудочной железы. Eur J Surg Oncol 2007, 33 (3), 266–270. DOI:10.1016/j.ejso.2006.10.004

[4] Антуан, Д.; Мохаммади, М.; Витт, М.; и др. Экспресс-тест ScFv-SERS для обнаружения SARS-CoV-2 на фемтограммовом уровне, предназначенный для использования непосредственно у постели больного. Сенаторы Американского химического общества. 2022, 7 (3), 866–873. DOI: 10.1021/acsensors.1c02664

[5Ван, Дж.; Ку, К. М.; Трау, М. Тетраплексное иммунофенотипирование протеомов клеточной поверхности с помощью синтезированных плазмонных нанотегов и портативной рамановской спектроскопии. Анальный. Хим. 2022, 94 (43), 14906–14916. DOI:10.1021/acs.analchem.2c02262

[6] Metrohm AG. Простое обнаружение ферментов с помощью электрохимического эффекта SERS.; АН-РА-008; Metrohm AG: Херизау, Швейцария, 2023 г.

[7] Браже, Н. А.; Евлюхин, А. Б.; Гудилин, Э. А. и др. Исследование цитохрома c в живых митохондриях с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света, усиленной поверхностью. Научный отчет 2015, 5 (1), 13793. DOI:10.1038/srep13793

Ваши выводы из полученных знаний

Примечание к приложению: Применение рамановской спектроскопии в области диагностики рака.

Примечание к приложению: Простое обнаружение ферментов с помощью электрохимического SERS-эффекта – активация усиленных характеристик серебряных электродов помогает получить характерные рамановские полосы биологических молекул.

Решения для обнаружения следов SERS

Блог: Часто задаваемые вопросы (FAQ) о рамановской спектроскопии: теория и применение.

Блог: Часто задаваемые вопросы (FAQ) о рамановской спектроскопии: области применения

Блог: Портативные устройства для рамановской спектроскопии с длиной волны 785 нм: передовые возможности идентификации материалов в вашем кармане.

Блог: Рамановская спектроэлектрохимия: от Индии до Испании: история и области применения.

Усиленное поверхностное рамановское рассеяние (SERS) – расширение возможностей традиционного рамановского анализа.

Усиленное поверхностное рамановское рассеяние (SERS) — это аномальное усиление рамановского рассеяния при адсорбции молекул на наночастицах золота или серебра; это усиление может достигать 1e+7. Преимущество SERS для химика-аналитика заключается в его способности обнаруживать концентрации аналита в мг/л (ppm) и даже мкг/л (ppb), в то время как классическая рамановская спектроскопия ограничена г/л (ppt). Компания Metrohm Raman производит P-SERS-анализы в виде наночастиц, нанесенных на подложки методом струйной печати. Этот метод позволяет получать недорогие тест-полоски, отличающиеся исключительной стабильностью и чувствительностью. Существует два рынка, которые легко охватить с помощью P-SERS: криминалистический анализ и безопасность пищевых продуктов. В данном документе описывается механизм SERS и его применение в портативном рамановском анализе с использованием систем Metrohm Raman MIRA.

Author

Dr. Melissa Gelwicks

Marketing Specialist
Metrohm Raman (a division of Metrohm Spectro), Laramie, Wyoming (USA)

Контакт

MIRA XTR Advanced

2.926.0120

MIRA XTR is an alternative for high power 1064 nm systems. Powered by advanced computational processing, MIRA XTR uses a more sensitive 785 nm laser along with XTR algorithms to eXTRact the Raman data from the sample fluorescence. MIRA XTR also features Orbital Raster Scanning (ORS) to provide better coverage of the sample increasing the accuracy of the results.MIRA XTR Advanced package includes a Calibration Standard, Intelligent Universal Attachment, Right-angle Attachment, Vial Attachment, and MIRA SERS Attachment. A complete package for any type of analysis. Class 3B operation. MIRA XTR supports Metrohm handheld Raman libraries.

i-Raman Prime 785S Portable Raman Spectrometer

BWT-840000675

The i-Raman® Prime 785S is a low-noise, high-throughput, and fully integrated Raman system with an embedded tablet computer and a fiber-optic sampling probe. Using a high-quantum-efficiency CCD array detector with TE deep cooling (-25 °C) and high dynamic range, this portable Raman spectrometer delivers research-grade Raman analysis capabilities, including real-time quantitation and identification. The high throughput gives Raman spectra with excellent signal-to-noise ratio, making it possible to measure rapid processes and to measure even the slightest Raman signals, detecting subtle sample differences.In addition to its portable construction, the i-Raman Prime 785S features the unique combination of wide spectral coverage and high resolution, thus enabling measurements from 150 cm-1 to 3,350 cm-1. The i-Raman Prime can be battery-operated for easy portability, providing research-grade Raman analysis capabilities for high-precision qualitative and quantitative work wherever needed. The system is optimized for use with our STRaman® technology for analyses through non-transparent packaging.

2 / 2