Raman ile Hasta Başında Tanı: Kanser, enfeksiyon ve daha fazlasının tespiti

25 Mar 2024

Ürün

Tıp endüstrisi, Raman spektroskopisi için yeni bir uygulama alanı oluşturmaktadır. Son birkaç yılda Raman teknolojisi diş hekimliği ve kanser çalışmalarında kullanılmakta olup, şimdi bu başarının üzerine Hasta Başı Test (Point-of-Care-POC) uygulamalarına genişleyerek yeni kullanım alanları kazanmaktadır. Bu blog makalesi, Raman spektroskopisinin kanserli dokuların, hastalık biyobelirteçlerinin ve hastalığa neden olan patojenlerin tespitinde kullanımına yönelik son derece yeni ve heyecan verici araştırmalara genel bir bakış sunmaktadır.

İstediğiniz konuya direkt olarak gitmek için aşağıdaki bağlantılardan birine tıklayabilirsiniz:

El tipi Raman spektrometresi ile kemik enfeksiyonunun tespiti
Kanser teşhisi için Raman spektroskopisi
Meme kanseri tanılamasında geleneksel Raman spektroskopisi
Pankreas kanseri biyobelirteçlerinin saptanması ve ölçülmesi için SERS
COVID-19’un femtogram düzeyinde tespiti için hızlı, Hasta Başı (POC) testi
Raman spektroskopisi ile kan ve meme kanseri hücrelerinin çoklu immünofenotiplemesi
Elektrokimyasal-SERS etkisiyle enzimlerin kolay tespiti

El tipi bir Raman spektrometresi ile kemik enfeksiyonunun tespiti

Enfeksiyondan kaynaklanan komplikasyonlar, kas ve iskelet cerrahisinde kullanılan insan kemik greftleri açısından ciddi bir sorun oluşturmaktadır. Staphylococcus epidermidis ve Staphylococcus aureus, kemikle ilişkili enfeksiyonların en yaygın nedenleri arasında yer almakta olup, bu bakterilerin tedavisi son derece zorlu olmaktadır.

Greft materyalleri üzerindeki stafilokok bakterilerinin tespiti ve sağlıklı kemik ile hastalıklı kemiğin ayırt edilmesi, enfeksiyonların önlenmesinde kritik öneme sahiptir. Geleneksel laboratuvar kültürü yöntemleri ile sonuç elde etmek için genellikle 7-10 gün gerektirmekte ve taşıma ile analiz sırasında kontaminasyon riski taşımaktadır. Pozitif vakalarda hastaların yüksek doz antibiyotiklerle geriye dönük olarak tedavi edilmesi gerekmektedir. Bu zorluk karşısındaki ideal çözüm, cerrahi ekibin hastalıklı kemiği ameliyat sırasında yerinde belirleyebilmesini ve kaçınabilmesini sağlayan sahada analiz yaklaşımı olmaktadır.

Kısa bir süre önce, Avusturya’daki bir araştırma grubu, taşınabilir bir MIRA Raman spektrometresi kullanarak sağlıklı ve enfekte kemik örnekleri ile iki tür stafilokok bakterisi arasında başarılı bir şekilde ayrım yapmayı başarmıştır [1]. Uygulanan yöntem; fosfatlar, amidler ve kollajenlere ait parmak izi Raman bantlarını, bunların farklı yoğunluk ve pik genişliği oranlarını analiz ederek sağlıklı ve hastalıklı dokuların ayrımını gerçekleştirmektedir. Temel bileşenler analizi (PCA), optik analizi desteklemekte ve stafilokok suşlarının daha ayrıntılı şekilde ayırt edilmesinde kullanılmaktadır.

Avusturyalı araştırma grubu, MIRA'nın "hafif, kompakt ve batarya ile çalışır" özelliklerini özellikle vurgulamaktadır. Ayrıca Raman spektroskopisinin "minimum numune hazırlığı ve hızlı sonuç" avantajları sunduğunu belirtmektedir. Analiz için yalnızca çok küçük bir kemik örneğinin gerekli olması, ameliyat sırasında yerinde inceleme yapılabilmesini sağlamakta ve doğrudan ameliyathanede hızlı ve doğru sonuçlar elde edilmesine olanak tanımaktadır.

Kanser tespitinde Raman spektroskopisi

Raman’s Raman'ın "moleküler parmak izi" spektrumları, hastalıklarla birlikte ortaya çıkan kimyasal değişiklikleri tespit edecek kadar hassas olabilmektedir. Kompakt Raman spektrometreleri, cerrahlara operasyon sırasında tümörlerin değerlendirilmesinde yardımcı olarak daha hızlı karar verilmesini desteklemektedir. Meme kanseri ve pankreas kanseri ile ilgili uygulama örnekleri aşağıdaki bölümlerde ele alınmaktadır.

Team surgeon at work on operating in hospital .

Meme kanseri tanılamasında geleneksel Raman spektroskopisi

Meme kanseri şüphesi olduğunda, genellikle biyopsi için bir ameliyat ve kötü huylu tümörlerin çıkarılması için ikinci bir ameliyat gerekmektedir. Şüpheli dokuların ilk cerrahi işlem sırasında değerlendirilebilmesi, gerekli olması halinde tümörlerin hemen çıkarılmasına olanak tanımaktadır. Bu durum hem hasta hem de sağlık sektörü açısından paha biçilemez bir durum olup, araştırmalar, Raman spektroskopisinin bazı kanser türlerinde bu ihtiyacı karşılayabileceğini göstermektedir.

Raman spektroskopisi, birçok kanser türü sonucunda dokuda meydana gelen değişiklikleri tespit edecek kadar hassasiyet sunmaktadır. Örneğin sağlıklı meme dokusu ile kötü huylu tümörlerin Raman spektrumları arasında son derece ince farklılıklar bulunmaktadır. Birleşik Krallık'taki araştırmacılar, yüksek çözünürlüklü bir i-Raman laboratuvar cihazını (Şekil 1) ve PCA dahil çok değişkenli analiz araçlarını kullanarak sağlıklı ve kanserli dokuların başarılı şekilde ayrımını gerçekleştirmektedir [2].

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

Şekil 1. Metrohm i-Raman Prime 785S Taşınabilir Raman Spektrometresi.

Pankreas kanseri biyobelirteçlerinin tespiti ve ölçümünde SERS

SERS (yüzeyce güçlendirilmiş Raman spektroskopisi), Raman'ın analiz için ideal olmadığı durumlarda bir çözüm sunabilmektedir. Bu durum; hedef bileşenin karmaşık bir numune matriksi içerisinde bulunması veya karbon bazlı moleküllerden kaynaklanan floresans etkileri nedeniyle ortaya çıkabilmektedir. SERS, Raman sinyalini güçlendirirken, bununla rekabet eden rakip floresans sinyalini güçlendirmez. Ayrıca SERS etkisi, analitlerin mg/L seviyelerinde ve bazı durumlarda µg/L seviyelerine kadar hassas şekilde tespit edilmesini mümkün kılmaktadır. Son olarak SERS pikleri keskin ve iyi tanımlanmış olduğundan, hedef analitlerin etkin biçimde tespit edilmesini ve tanımlanmasını sağlamaktadır.

SERS hakkında daha fazla bilgi edinmek için bu konuya ayrılmış önceki blog yazımızı inceleyebilirsiniz:

Raman ve SERS... Aralarındaki Fark Nedir?

Pankreas kanseri ölümcül bir hastalık olup, bunun nedenlerinden biri teşhis edilmesinin zor olmasıdır. Bununla birlikte, pozitif vakaların yaklaşık %75'inde yüksek seviyelerde bulunan bazı biyobelirteçler mevcuttur [3]. Bu biyobelirteçler; antikorlar, antijenler ve proteinler dahil çeşitli hedefleri ölçen enzim bağlantılı immünosorbent analizleri (ELISA) ile tespit edilebilmektedir.

Gelişmekte olan bir teknikte, Utah Üniversitesi'nde pankreas kanseri ile ilişkili bir antijenin tespiti amacıyla ELISA ile birlikte SERS analizinde bir i-Raman laboratuvar spektrometresi kullanılmıştır [2]. SERS sinyali, klasik lateral akış veya "sandviç" immünoassay yapısı içerisinde hem altın nanoparçacığa hem de hedef analite bağlanmış bir işaretleyici molekülden oluşturulmaktadır (Şekil 2). Bu yaklaşım son derece yüksek doğruluk sağlamakta ve ilgili biyobelirtecin çok hassas şekilde tespit edilmesine, hatta potansiyel olarak nicel tayinine olanak vermektedir.

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

Şekil 2. Pankreas kanseri ile ilişkili bir antijenin tespiti, yüzeyce güçlendirilmiş Raman spektroskopisi (SERS) ile mümkün olmaktadır.

COVID-19'un femtogram seviyesinde tespiti için hızlı hasta başı test (POC) analizi

Şekil 3. Metrohm tarafından sunulan MIRA XTR el tipi Raman spektrometresi.

Wyoming Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, COVID-19 enfeksiyonu ile ilişkili antijen biyobelirteçlerini tespit etmek amacıyla alternatif bir ELISA formatı kullanmaktadır [4]. Bu çalışmada, hedef biyobelirtecin çözeltide zenginleştirilmesi amacıyla manyetik nanoparçacık destekli bir analiz yaklaşımı kullanılmakta ve ardından MIRA XTR ile SERS tespiti gerçekleştirilmektedir (Şekil 3). Bu yaklaşımın ticari lateral akış testlerinden daha hassas olduğu, hem çözücü hem de tükürük örnekleriyle uyumlu çalıştığı, yeni virüs varyantlarına uyarlanabildiği ve COVID-19 için son derece hassas POC tanısı sağladığı gösterilmektedir.

Lateral akış immünoassay yöntemleri nispeten hızlı sonuç vermekte, ancak yalnızca nanogram seviyesinde tespit kapasitesi sunmakta ve nicel analiz açısından sınırlamaları mevcuttur. Buna karşılık SERS tabanlı ELISA yaklaşımı, antijenlerin femtogram seviyelerindeki miktarlarına duyarlılık göstermekte ve ticari bir el tipi Raman cihazı ile POC ortamında hızlı sonuçlar sağlamaktadır.

Raman spektroskopisi ile kan ve meme kanseri hücrelerinin çoklu immünofenotiplemesi

Başka bir çalışmada, farklı kırmızı kan hücreleri ve meme kanseri hücre yüzeylerinin immünofenotiplemesi amacıyla taşınabilir SERS tabanlı bir ELISA sistemi MIRA DS kullanılarak değerlendirilmektedir [5]. Sağlıklı ve hastalıklı hücrelerin ayırt edilmesi ile tek bir numune içerisinde birden fazla biyolojik hedefin tespiti, farklı meme kanseri türlerinin bilinçli şekilde tedavi edilmesini destekleyebilmektedir.

Illustration of red blood cells with cancer cells.

Bu analiz yönteminin, geleneksel çoklu immünoassay yöntemlerine kıyasla daha küçük analiz hacimlerinde "özgüllük, hassasiyet ve tekrarlanabilirlik".. sağladığı ve uygulanmasının daha az iş gücü gerektirdiği belirtilmektedir. Araştırmacılar, MIRA'nın Orbital Raster Scan özelliğinin daha geniş bir inceleme alanı ve mekânsal olarak ortalanmış ölçümler sayesinde analiz hassasiyetini artırdığını ifade etmektedir.

Geleneksel çoklu analiz yöntemleri, farklı renklerde boyaların bulunabilirliği ve sonuçların yorumlanmasındaki zorluklar nedeniyle sınırlanabilmektedir. Ayrıca bu yöntemler geniş laboratuvar alanı gerektirmektedir. Buna karşılık el tipi Raman spektroskopisine dayalı bu yaklaşım; kısa analiz süresi, çoklu analiz yeteneği ve son derece kompakt bir cihaz yapısıyla doğru POC sonuçları elde edilmesi için önemli bir potansiyel sunmaktadır.

Elektrokimyasal-SERS etkisi ile enzimlerin kolay tespiti

Şekil 4. Metrohm'un SPELECRAMAN638 cihazı, 638 nm lazer kullanarak spektroelektrokimyasal Raman ölçümleri gerçekleştirmektedir.

Metrohm [6] tarafından biyolojik moleküllerin karakterizasyonu için oldukça farklı bir SERS tekniği geliştirilmiştir. Elektrokimyasal SERS (EC-SERS), iki deneyin aynı anda yürütülmesini mümkün kılmaktadır: İlk olarak gümüş elektrotların (Ag SPE'ler) SERS özelliklerinin elektrokimyasal olarak aktive edilmesi, ardından numunenin spektroskopik olarak tespit edilmesi (SPELECRAMAN638, Şekil 4).

Bu yöntemde, SERS substratı gümüş elektrotlardan (hem serigrafi ile basılmış hem de geleneksel) in situ olarak üretilmektedir. Bu işlem, SERS-aktif türlerin tespitini optimize etmek amacıyla, analitin varlığında ve sürekli Raman taraması altında gerçekleştirilmektedir. 638 nm’lik uyarma, numune hasarı ve floresan riskini azaltırken, iyi yoğunlukta bir SERS etkisi sağlamaktadır.

Aldehit dehidrogenaz (ALDH) gibi enzimlerin yapısının ve hastalıklardaki rollerinin belirlenmesi, hastalıkların daha iyi anlaşılmasına yardımcı olmaktadır. EC-SERS kullanılarak uygulama uzmanları, çözeltide bulunan ALDH'ye ait daha önce rapor edilmemiş parmak izi Raman bantlarını tanımlamaktadır. Benzer şekilde sitokrom c'nin redoks durumları, hücre zarları boyunca gerçekleşen elektron taşınımı hakkında bilgi sağlamaktadır [7]. Sitokrom c, EC deneyi sırasında oksidasyon ve dönüşüm durumlarını değiştirmekte ve bu farklı redoks durumları birbirinden ayırt edilebilir SERS spektrumlarına sahiptir.

Sonuç

Raman teknolojisi gerçekten yenilikçi şekillerde kullanılmaktadır. Dünya genelindeki araştırma grupları; hassasiyet, eser seviye tespit kapasitesi, kompakt yapı ve hızlı sonuç alma gibi önemli avantajlarından yararlanarak kanserli dokuların, hastalık biyobelirteçlerinin ve hastalığa neden olan patojenlerin tespitine yönelik çalışmalar yürütmektedir. Elde edilen bulgular son derece heyecan ve umut verici görünmektedir.

[1] Lindtner, R. A.; Wurm, A.; Pirchner, E.; et al. Enhancing Bone Infection Diagnosis with Raman Handheld Spectroscopy: Pathogen Discrimination and Diagnostic Potential. IJMS 2023, 25 (1), 541. DOI:10.3390/ijms25010541

[2] Thomas, R.; Bakeev, K.; Claybourn, M.; Chimenti, R. The Use of Raman Spectroscopy in Cancer Diagnostics. Spectroscopy 2013, 28 (9), 36–43.

[3] Goonetilleke, K. S.; Siriwardena, A. K. Systematic Review of Carbohydrate Antigen (CA 19-9) as a Biochemical Marker in the Diagnosis of Pancreatic Cancer. Eur J Surg Oncol 2007, 33 (3), 266–270. DOI:10.1016/j.ejso.2006.10.004

[4] Antoine, D.; Mohammadi, M.; Vitt, M.; et al. Rapid, Point-of-Care ScFv-SERS Assay for Femtogram Level Detection of SARS-CoV-2. ACS Sens. 2022, 7 (3), 866–873. DOI:10.1021/acssensors.1c02664

[5] Wang, J.; Koo, K. M.; Trau, M. Tetraplex Immunophenotyping of Cell Surface Proteomes via Synthesized Plasmonic Nanotags and Portable Raman Spectroscopy. Anal. Chem. 2022, 94 (43), 14906–14916. DOI:10.1021/acs.analchem.2c02262

[6] Metrohm AG. Easy Detection of Enzymes with the Electrochemical-SERS Effect; AN-RA-008; Metrohm AG: Herisau, Switzerland, 2023.

[7] Brazhe, N. A.; Evlyukhin, A. B.; Goodilin, E. A.; et al. Probing Cytochrome c in Living Mitochondria with Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. Sci Rep 2015, 5 (1), 13793. DOI:10.1038/srep13793

Bilgi birikiminiz

Uygulama Notu: Kanser Tanısında Raman Spektroskopisinin Kullanımı

Uygulama Notu: Elektrokimyasal -SERS etkisi ile enzimlerin kolay tespiti. Gümüş elektrotların güçlendirilmiş özelliklerinin aktivasyonu, biyolojik moleküllere özgü Raman bantlarının elde edilmesine yardımcı olmaktadır

SERS eser seviye tespit çözümleri

Blog Makalesi: Raman spektroskopisi hakkında Sık Sorulan Sorular (SSS): Teori ve kullanım

Blog Makalesi: Raman spektroskopisi hakkında Sık Sorulan Sorular (SSS): Uygulamalar

Blog Makalesi: El tipi 785 nm Raman uygulamaları: Cebinizdeki ileri düzey malzeme tanımlama kabiliyeti

Blog Makalesi: Raman Hindistan'dan İspanya'ya Rama n spektroelektrokimyası:Tarihçe ve Uygulamalar

Yüzey Güçlendirilmiş Raman Saçılımı (SERS) – Geleneksel Raman Analizinin Sınırlarını Genişletmek

Yüzey Güçlendirilmiş Raman Saçılımı (SERS), moleküllerin altın veya gümüş nanoparçacıklara adsorbe olması durumunda Raman saçılmasının olağanüstü şekilde güçlenmesi olayıdır. Bu güçlenme 1×10⁷ kat seviyelerine ulaşabilmektedir. Analitik kimyacılar açısından SERS'in avantajı, analit konsantrasyonlarının mg/L (ppm) ve hatta µg/L (ppb) seviyelerinde tespit edilmesini mümkün kılmasıdır. Buna karşılık klasik Raman teknikleri genellikle g/L seviyeleri ile sınırlı kalmaktadır. Metrohm Raman, mürekkep püskürtmeli baskı teknolojisi kullanılarak substratlar üzerine basılmış nanoparçacıklardan oluşan P-SERS analizlerini sunmaktadır. Bu yöntem, olağanüstü kararlılık ve hassasiyet sergileyen düşük maliyetli test şeritlerinin üretilmesini sağlamaktadır. P-SERS teknolojisi ile kolaylıkla hizmet verilebilen iki temel pazar bulunmakta olup bunlar adli analizler ve gıda güvenliği uygulamalarıdır. Bu White Paper, SERS mekanizmasını açıklamakta ve bu teknolojinin Metrohm Raman MIRA sistemleri ile gerçekleştirilen el tipi Raman analizlerine nasıl uygulanabileceğini ayrıntılı olarak ortaya koymaktadır.

Yazar

Dr. Melissa Gelwicks

Pazarlama Uzmanı
Metrohm Raman (Metrohm Spectro’nun bir iştiraki), Laramie, Wyoming (USA)

İletişim

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