Raman a klinika vezetői

A rezgésspektroszkópiai technikát valamikor számos betegség diagnosztizálására lehet használni

írta: Celia Henry Arnaud

HIRDETÉS

Betegség diagnózisa még mindig valami művészet. Mint sok művészet, ez is egészséges adag szubjektivitást jelent. Az objektív információkat nyújtó módszerek segíthetnek az orvosoknak jobb, gyorsabb diagnózis felállításában. A Raman-spektroszkóposok remélik, hogy képesek lesznek biztosítani ezen módszerek egyikét.

A múlt hónapban a Raman-spektroszkópiával foglalkozó nemzetközi konferencián (ICORS) a világ minden tájáról érkező kutatók leírták munkájukat, hogy a Raman-t felhasználják különféle betegségek diagnosztizálására. Néhányan már végeztek kis léptékű klinikai vizsgálatokat. Mások számára az ilyen vizsgálatok küszöbön állnak. Még más esetekben a klinikai alkalmazás távolabb van, de a végcél egyértelműen látható. A Raman ezen legfejlettebb orvosi alkalmazásai kevesebb mint öt év alatt készen állnak a piacra.

Ramannak vannak erősségei és gyengeségei az orvosi alkalmazások terén. A vibrációs spektroszkópia egyik típusaként kihasználhatja a test különböző vegyi anyagai közötti molekuláris különbségeket olyan képek rajzolásához, amelyek hagyományosan címkék vagy foltok bevezetését igénylik. Így kiküszöböli a minta előkészítésének szükségességét, és csökkentheti a rendszer zavarásának lehetőségét. A Raman leghagyományosabb formája - a spontán Raman-szórás - azonban a beeső fotonok csak egy kis részét szórja a beeső fény frekvenciájától eltérő frekvencián. Ennek a hatásnak a gyengesége azt jelenti, hogy Raman nem különösebben érzékeny.

Az egyik alkalmazás, amelyre Raman különösen alkalmas, a csontanalízis, például az oszteoporózis kezelésének követéséhez szükséges. A csont ásványi komponensei erős, könnyen megkülönböztethető Raman-sávokat hoznak létre. A csont ásványi anyagból, elsősorban hidroxiapatitból áll, egy főleg kollagénből álló fehérjemátrix fölött. A Raman-spektrumok feltárják a csontszövet minőségét, és a spektrumok számos tényezőtől függően változnak, beleértve az életkort, a testmozgást, az étrendet, a mechanikai terhelést, a károsodást és a betegséget - mondja Michael D. Morris, a Michigani Egyetem kémia professzora aki több mint egy évtizede tanulmányozta a csontokat Ramannál.

A csont Raman-spektrumainak megszerzésének egyik kihívása a csontot körülvevő egyéb szövetek jelenléte, beleértve a bőrt, a bőr alatti zsírt, az ínszalagokat és az izmokat. A térben eltolt Raman-spektroszkópia nevű technikával, amelyben a szétszórt fényt a beeső fénytől eltérő helyről gyűjtik össze, Morris Raman-spektrumokat nyerhet a szövetből, amely messze a felszín alatt van.

Még ezeknek a más szöveteknek a jelenlétében is könnyen kiválasztható az ásványból származó jel ezekben a spektrumokban - mondja Morris. "Tűt keres egy szénakazalban, de ez az egyetlen hidroxiapatitból készült tű."

Morris reméli, hogy Raman-ot felhasználja az oszteoporózis-vizsgálatokban a törések kockázatának előrejelzésére és a terápia hatékonyságának felmérésére. "Az osteoporosis diagnózisa közel sem olyan fontos, mint a terápia nyomon követése" - mondja. "Alapvetően a demográfia nagyon jó diagnózis", ami azt jelenti, hogy általában véve egy bizonyos életkorú kis csontú nőknél nagy az osteoporosis kockázata.

A csontritkulás terápiás előrehaladását általában a kettős energiájú röntgenabszorptiometriának (DXA) nevezett módszerrel követik nyomon, amelyben a csontsűrűséget mérik. De a DXA rosszul jósolja a terápiás eredményeket, mondja Morris. Ezzel szemben az ásványi anyag összetétele és minősége, amelyet Raman-nal mértek, "meglehetősen jósló erőt adnak" - mondja Morris.

Még akkor is, ha Morris és kollégái elkezdik használni a Raman-t az oszteoporózisos betegek kimenetelének megjóslásához, nem tudják, hogy hatékony-e legalább három évig. A betegség előrehaladása évekbe telhet, és évekbe telhet annak meghatározása, hogy a kezelés bevált-e. Ennek eredményeként „a fizikai vegyészek rémületére nem kapunk választ délután, sőt napok vagy hetek alatt. Évek alatt megkapjuk. ”

Morris és munkatársai elvégezték a csont mérését a kádárvégtagokban, de még nem mutatták be módszerüket élő betegekkel. Remélik, hogy hamarosan megkezdik azt a kísérletet, amelyben száloptikai szondákkal térdműtéten átesett betegeknél közvetlenül mérik a csont Raman-spektrumait, hogy megerősítsék a szövetrétegeken keresztüli spektrumok értelmezését.

Morris reméli, hogy Raman értékes kiegészítőnek bizonyul a jelenleg használt egyéb diagnosztikai technikákhoz. "Végső soron semmi sem önálló" - mondja. „Úgy gondoljuk, hogy az általunk megadott összetétel-információk valóban prediktív értékkel bírnak. Három év múlva, „a csontritkulás előremutató vizsgálatához szükséges idő,„ vagy nagyon szerény leszek, vagy nagyon büszke ”- mondja.

Egy rokon A Raman alkalmazása a korai fogszuvasodás kimutatása, közismertebb nevén fogszuvasodás. Lin-P'ing Choo-Smith, a Kanadai Nemzeti Kutatási Tanács Kanadai Biodiagnosztikai Intézetének kutatója, Winnipeg, Manitoba, Raman szondákat fejleszt ki, hogy megvizsgálja a fogszuvasodásban bekövetkezett szerkezeti változásokat azzal a céllal, hogy az ilyen bomlást még a „fúrás és kitöltés ”lesz az egyetlen lehetőség.

A csontokhoz hasonlóan a hidroxiapatit is a fogak fő ásványi összetevője. "A Raman-spektrumban van egy nagy csúcs, amely az adott foszfátra jellemző" - mondja Choo-Smith. "A foszfátcsúcs információt közöl a fog ásványi anyagának minőségéről és tartalmáról." A fogszuvasodás folyamán az elsősorban a fog lepedékében található baktériumok által termelt sav kimosza a fogakból az ásványi anyagokat.

A Raman-megközelítés alkalmas a korai stádiumú elváltozásokra, amelyek körülbelül 100–250 μm mélyek, mondja Choo-Smith. Ebben a korai szakaszban a klinikusoknak többféle lehetőségük van, beleértve a fluoriddal, tömítőanyagokkal vagy antimikrobiális szerekkel történő kezelést. Bár a Raman alkalmazható fejlettebb kavitációs stádiumokban is, "valójában nincs értelme, mert a klinikus már nagyon tisztán látja" vizuálisan vagy röntgensugarakban - mondja Choo-Smith.

A kivont fogak első Raman-spektrumában a hang és a szuvas zománc közötti spektrális különbségek túl finomak voltak ahhoz, hogy lehetővé tegyék a gyors spektrális felvételt - mondja Choo-Smith. Amikor ehelyett kipróbálták a polarizált Ramant, amelyben a polarizált fényt használják a spektrum megszerzésére, sokkal nagyobb változásokat láttak a hang és a szuvas zománc között. Most metrikájukként a depolarizációs arányt - a keresztpolarizált és párhuzamosan polarizált Raman-spektrumok intenzitásának arányát használják. Arra számít, hogy a polarizációs arányt egy olyan skála elkészítéséhez használják, amely korrelál a fogszuvasodás mértékével és a javasolt kezelésekkel.

Laboratóriumi kísérletek során Choo-Smith és munkatársai olyan spektrális változásokat figyeltek meg, amelyek a demineralizációra és a remineralizációra adott válaszként jelentkeznek. A demineralizáció intenzitásváltozással jár, míg a remineralizáció frekvenciaváltásokat eredményez, amelyek tükrözik a javított szerkezet ásványi tulajdonságait és kristályosságát.

Ebben a hónapban Choo-Smith arra számít, hogy elkezd dolgozni a tényleges betegekkel. "Minden etikai jóváhagyást átestünk" - mondja. „Csak arra várunk, hogy néhány végleges jóváhagyás megtörténjen in vivo. Nagyon közel állunk ahhoz, hogy kipróbáljuk az emberekben. ”

Egy másik lehetőség a Raman klinikai alkalmazása a metabolitok nem invazív profilozása a vérben, amely alkalmazás valószínűleg gyakrabban jár közeli infravörös abszorpcióval vagy diffúz reflexiós spektroszkópiával. Joseph Chaiken, a Syracuse Egyetem munkatársa a LighTouch Medical céggel dolgozik Raman módszerek kifejlesztésében a glükóz és más analitok érzékelésére. Raman gyenge jelei miatt a módszerek olyan kis molekulájú fajokra, például glükózra korlátozódnak, amelyek millimoláris koncentrációban vannak jelen, vagy nagy molekulákra, például fehérjékre, amelyek alacsonyabb koncentrációban fordulnak elő, de ismétlődő kötésekkel rendelkeznek, amelyek „halmozódást” eredményeznek. fel ”Raman jellemzőit. A vérben lévő analitok, amelyek nem invazív Raman-nak lehetnek alkalmasak, tartalmazzák a hemoglobint, a hidrogén-karbonátot, a koleszterint, a triglicerideket, a karbamidot, a tejsavat, az összes fehérjét (de az egyes fehérjéket nem) és a glükózt.

Chaiken és munkatársai modulációs technikákkal választják ki az érdekes analit jelét a vérben és a környező szövetekben zavaró jelekből. Különösen nyomást alkalmaznak a vér eloszlásának megváltoztatására a szövetben a statikus háttérszövethez, például a bőrhöz viszonyítva, majd az alkalmazott nyomással megszerzett spektrumot kivonják a spektrumból alkalmazott nyomás nélkül.

Chaiken azt gyanítja, hogy a nem invazív Raman mérések spontán Ramanra vagy legfeljebb gyengén rezonanciával fokozott Ramanra korlátozódnak, nem pedig erőteljesen rezonanciával fokozott Ramanra, amely érzékenyebb lenne. „A jelentős rezonancia-fokozás kiaknázásához a beeső fénynek jelentős mértékben el kell szívódnia” - mondja. "Ha túl sok a felszívódás, akkor túlzott az energialerakódás, és megkapja azt, amit önkárosító sebnek hívunk" - magyarázza.

Az ICORS-on Chaiken noninvazív, in vivo hemoglobin-spektrumokat mutatott be. Ez a fehérje kiváló modellrendszert alkot, mivel spektruma in vitro jól megalapozott, és gyengén rezonancia-fokozott az in vivo alkalmazásokhoz szükséges közeli infravörös gerjesztéssel. "Azt akartam, hogy az emberek lássák, hogy egyértelműen megmutathatunk valamit, amit a test belsejében mérnek, anélkül, hogy vért vennénk ki" - mondja Chaiken. Nehezebb megalapozni azt az esetet, hogy a Raman segítségével kimutathatja a glükózt, mert spektruma közel sem olyan erős vagy olyan elkülönült, mint a hemoglobiné - teszi hozzá. Ennek ellenére Chaiken rámutat, hogy csoportja és két másik csoport az elmúlt 10 évben egymástól függetlenül azt állította, hogy valóban meg tudják mérni a glükózt nem invazív Raman segítségével.