Mutarea spectroscopiei Raman în clinică
Sensibilitatea moleculară a spectroscopiei Raman o face promițătoare pentru aplicațiile clinice: poate identifica agenții patogeni mult mai rapid decât metodele actuale, poate investiga celulele tumorale circulante, poate ajuta chirurgii să distingă tumorile de țesutul sănătos și să identifice natura chimică a plăcilor cardiovasculare și să le evalueze severitatea.
Populația în vârstă de astăzi prezintă o mare provocare: asigurarea unor sisteme de îngrijire a sănătății accesibile și durabile. Pe măsură ce numărul persoanelor peste 65 de ani crește, societatea se confruntă cu o creștere a bolilor legate de vârstă. În consecință, numărul cazurilor de degenerescență maculară în Germania, de exemplu, se va dubla în următorii 15 ani. Creșteri similare au fost proiectate pentru numărul de atacuri de cord și noi cazuri de demență, în timp ce numărul cazurilor de cancer descoperite recent se estimează că va crește cu „doar” 50 la sută. 1 În plus, noi probleme, cum ar fi riscul crescut de pandemie, vor căuta soluții. În același timp, utilizarea adesea neglijentă a antibioticelor duce treptat la apariția agenților patogeni rezistenți. 2
Pentru a face față tuturor acestor provocări va fi nevoie de noi metode și dispozitive cu care - în mod ideal - bolile să poată fi prinse și combătute înainte ca acestea să fie chiar răspândite.
Metodele fotonice pot fi cheia. Fotonica va permite o înțelegere a dezvoltării bolii la nivel molecular și astfel va facilita în cele din urmă un medicament personalizat. O metodă fotonică deosebit de promițătoare și versatilă este spectroscopia Raman și variantele sale. Ca și în cazul tuturor metodelor bazate pe lumină, spectroscopia Raman permite măsurarea necontact, dar spre deosebire de spectroscopia fluorescentă, de exemplu, nu necesită etichete exogene. Aceasta înseamnă că tehnica are potențialul de a accelera semnificativ sau chiar de a înlocui analiza de laborator și de a permite diagnosticarea aproape de pacient, deoarece este relativ rapidă și, de asemenea, foarte precisă. Mai ales în domeniul imagisticii, trebuie subliniată specificitatea ridicată și invazivitatea redusă. Alte avantaje ale spectroscopiei Raman includ rezoluția spațială ridicată, lipsa necesității pregătirii probelor care consumă mult timp și capacitatea de a lucra într-un mediu apos.
Diagnosticul agentului patogen
În mod clasic, diagnosticul de agenți patogeni se bazează pe inițierea, creșterea și analiza unei culturi de agenți patogeni, un proces care poate dura până la o săptămână și necesită personal experimentat. Dar, în cazul șocului sepsisului, de exemplu, rata de supraviețuire scade dramatic cu fiecare oră care trece înainte de tratamentul vizat - scăzând la o rată de mai puțin de 20% după doar 12 ore. În cazul ideal, o infecție ar fi asociată cu un agent patogen în câteva ore.
Deoarece fiecare specie bacteriană are o semnătură Raman unică, spectroscopia Raman este potrivită pentru identificarea acesteia. În plus, cu microscopia Raman, un spectru al unei singure bacterii este în general suficient pentru identificare.3 Cu toate acestea, distincțiile dintre spectrele diferitelor specii sunt adesea subtile, iar diferențierea prin inspecție vizuală nu este, în general, posibilă. Spectrul bacterian este în final suma semnăturilor spectrale ale tuturor substanțelor conținute, cum ar fi apa, proteinele, grăsimile, acizii nucleici și carbohidrații (Figura 1a). Chiar și bacteriile din aceeași specie prezintă variații subtile cauzate de diferențe în starea de creștere, condiții diferite între pacienți, cum ar fi starea nutrițională și setările de tratament și localizarea variabilă la pacienți (centrele de infecție). Pentru agenții patogeni aflați în afara pacientului, factorii de mediu precum conținutul de oxigen și dioxid de carbon din aer, temperatura și lumina joacă un rol.
figura 1. (A) Spectre Raman ale principalelor componente biologice ale bacteriilor: apă, proteine, acizi nucleici (ADN), carbohidrați și grăsimi. În spectrele Raman ale diferitelor tulpini stafilococice care servesc ca exemple, pot fi recunoscute mai multe benzi ale componentelor individuale. () Bio Particle Explorer de la rapID. Imagini oferite de autorii autorilor.
Soluția este de a aplica tehnici chimiometrice spectrelor Raman ale bacteriilor. În acest caz, un spectru este împărțit în zone distincte care sunt comparate matematic cu arii echivalente din spectrele bacteriene care au fost colectate într-o bază de date extinsă. În medie, este posibil să se determine în mod corect aproape 99% din speciile bacteriene și chiar și tulpina poate fi determinată cu o precizie medie de peste 92%. 3 Pentru a determina contaminarea bacteriană în camere curate sau sisteme de aer condiționat, o soluție adecvată este deja disponibilă comercial (Bio Particle Explorer din rapID, Figura 1b). Acest sistem folosește spectroscopia de fluorescență pentru a distinge între particule neînsuflețite și bacterii; bacteriile sunt apoi identificate prin intermediul spectroscopiei Raman.
Potențialul său de utilizare clinică necesită capacitatea sa de a identifica bacteriile în medii complexe, cum ar fi saliva, urina sau chiar sângele. În general, bacteriile trebuie separate de aceste medii; în caz contrar, mediul împiedică identificarea sau chiar o face imposibilă. Pentru această etapă de separare, în prezent sunt dezvoltate cipuri microfluidice care utilizează, de exemplu, dielectroforeza pentru a prinde bacteriile și a le face accesibile măsurării. 4 Această metodă poate fi utilizată și pentru măsurarea bacteriilor direct în soluție și astfel permite - pe lângă identificare - afirmații despre susceptibilitatea sau rezistența la antibiotice.