Техниката на вибрационната спектроскопия може някой ден да се използва за диагностициране на различни заболявания

от Селия Хенри Арно
РЕКЛАМА

клиниката

Диагноза на заболяването все още е нещо като изкуство. Подобно на много изкуства, това включва здравословна доза субективност. Методите, които предоставят обективна информация, могат да помогнат на лекарите да поставят по-добри и по-бързи диагнози. Рамановите спектроскописти се надяват, че могат да осигурят един от тези методи.

На международната конференция по раманова спектроскопия (ICORS) миналия месец изследователи от цял ​​свят описаха работата си, за да използват Раман за диагностика на различни заболявания. Някои вече са провели малки клинични проучвания. За други подобни изследвания предстоят. В други случаи клиничното приложение е по-далеч, но крайната цел се вижда ясно. Най-напредналите от тези медицински приложения на Raman могат да бъдат готови за пазара след по-малко от пет години.

Раман има както силни, така и слаби страни за медицински приложения. Като вид вибрационна спектроскопия, той може да се възползва от вътрешните молекулярни разлики между различни химикали в тялото, за да нарисува картини, които традиционно изискват въвеждането на етикети или петна. По този начин той може да елиминира необходимостта от някаква подготовка на пробата и може да намали възможността за разстройване на системата. Въпреки това, най-традиционната форма на Раман - спонтанно раманово разсейване - разпръсква само малка част от падащите фотони с честота, различна от честотата на падащата светлина. Слабостта на този ефект означава, че Раман не е особено чувствителен.

Едно приложение, за което Raman е особено подходящ, е анализ на костите, като този, необходим за проследяване на лечението на остеопороза. Минералните компоненти на костите произвеждат силни, лесно различими Раман ленти. Костта се състои от минерал, предимно хидроксиапатит, върху протеинова матрица, съставена главно от колаген. Рамановите спектри разкриват качеството на костната тъкан и спектрите варират в зависимост от редица фактори, включително възраст, упражнения, диета, механично натоварване, увреждане и заболяване, казва Майкъл Д. Морис, професор по химия в Университета в Мичиган който изучава костите с Раман повече от десетилетие.

Едно от предизвикателствата при получаването на Раманов спектър на костите е наличието на други тъкани, заобикалящи костта, включително кожа, подкожна мастна тъкан, връзки и мускули. Използвайки техника, наречена пространствено компенсирана Раманова спектроскопия, при която разсеяната светлина се събира от място, различно от падащата светлина, Морис може да получи Раманов спектър от тъкан, която е далеч под повърхността.

Дори в присъствието на тези други тъкани, сигналът от минерала е лесно да се извлече в тези спектри, казва Морис. „Търсите игла в купа сено, но това е единствената игла, направена от хидроксиапатит.“

Морис се надява да използва Раман в проучвания за остеопороза, за да прогнозира риска от фрактури и да оцени ефективността на терапията. „Диагнозата на остеопорозата не е толкова важна, колкото проследяването на терапията“, казва той. „По принцип демографията е доста добра диагноза“, което означава, че най-общо казано, малокостните жени над определена възраст са изложени на висок риск от остеопороза.

Терапевтичният напредък при остеопороза обикновено се проследява с метод, наречен двуенергийна рентгенова абсорбциометрия или DXA, при който се измерва костната плътност. Но DXA е слабо предсказуем за терапевтичните резултати, казва Морис. За разлика от тях, минералният състав и качеството, измерени с Раман, осигуряват „доста голяма прогностична сила“, казва Морис.

Дори след като Морис и колегите му започват да използват Раман за прогнозиране на резултатите за пациенти с остеопороза, те няма да знаят дали е ефективен поне три години. Болестта може да отнеме години, за да прогресира и може да отнеме години, за да се определи дали лечението е дало резултат. В резултат на това „за ужас на физическите химици не получаваме отговор следобед или дори дни или седмици. Получаваме го след години. "

Морис и неговите сътрудници са направили измервания на костите в трупните крайници, но тепърва трябва да демонстрират своя метод с живи пациенти. Те се надяват скоро да започнат изпитване, в което ще използват оптични сонди за директно измерване на спектрите на Раман на костите при пациенти, подложени на операция на коляното, за да валидират тяхната интерпретация на спектрите през слоеве тъкан.

Морис се надява, че Раман ще се окаже ценно допълнение към други използвани в момента диагностични техники. „В крайна сметка нищо не е самостоятелно“, казва той. „Смятаме, че информацията за състава, която предоставяме, всъщност има предсказваща стойност. След три години “, времето, необходимо за едно бъдещо проучване на остеопороза,„ или ще бъда много скромен, или много горд “, казва той.

Сроден приложението на Раман е откриване на ранен зъбен кариес, по-известен като кариес. Lin-P'ing Choo-Smith, изследовател от Националния изследователски съвет на Канада, Институт за биодиагностика, в Уинипег, Манитоба, разработва сонди на Раман, за да разгледа структурни промени, свързани с кариеса, с цел да се хване такова разпадане преди „тренировка и запълване ”става единствената опция.

Както при костите, хидроксиапатитът е основният минерален компонент на зъбите. „Има голям пик в спектъра на Раман, който е специфичен за този фосфат“, казва Чоо-Смит. „Върхът на фосфатите ни казва информация за минералното качество и съдържанието на зъба.“ В процеса на кариес киселина, произведена предимно от бактерии в зъбната плака, извлича минералите от зъбите.

Подходът на Раман е подходящ за лезии в ранен стадий, които са с дълбочина от около 100 до 250 μm, казва Choo-Smith. На тези ранни етапи клиницистите имат множество възможности, включително лечение с флуор, уплътнители или антимикробни средства. Въпреки че Раман може да се използва и за по-напреднали кавитирани етапи, „всъщност няма смисъл, защото клиницистът вече може да го види много ясно“ визуално или на рентгенови лъчи, казва Чоо-Смит.

В първите им Раманови спектри на извадени зъби, спектралните разлики между звука и кариозния емайл са били твърде фини, за да позволят бързо спектрално придобиване, казва Choo-Smith. Когато вместо това се опитаха поляризиран Раман, в който поляризираната светлина се използва за придобиване на спектъра, те видяха много по-големи промени между звука и кариозния емайл. Сега те използват съотношението на деполяризация - съотношението на интензитетите в кръстосано поляризирани и паралелно поляризирани Раманови спектри - като своя метрика. Тя очаква, че те ще използват съотношението на поляризация, за да изградят скала, която корелира със степента на кариеса и предложените лечения.

В лабораторни експерименти Choo-Smith и нейните сътрудници са наблюдавали спектрални промени, които се случват в отговор на деминерализация и реминерализация. Деминерализацията включва промени в интензитета, докато реминерализацията води до честотни отмествания, които отразяват минералното качество и кристалността на ремонтираната структура.

Този месец Choo-Smith очаква да започне работа с реални пациенти. „Преминахме през всички етични одобрения“, казва тя. „Ние само чакаме някои окончателни одобрения, за да го направим in vivo. Много сме близо до това да го изпробваме в хората. "

Друг потенциал клиничното приложение за Raman е неинвазивно профилиране на метаболити в кръвта, приложение, което може би е по-често свързано с близка инфрачервена спектроскопия на абсорбция или дифузно отражение. Джоузеф Чайкен от университета в Сиракуза работи заедно с компанията LighTouch Medical за разработване на методите на Раман за определяне на глюкоза и други анализи. Поради слабите сигнали на Раман, методите ще бъдат ограничени до видове с малка молекула, като глюкоза, които присъстват при милимоларни концентрации или големи молекули, като протеини, които се срещат при по-ниски концентрации, но имат повтарящи се връзки, което води до „натрупване“ нагоре ”от чертите на Раман. Анализите в кръвта, които могат да бъдат податливи на неинвазивен Raman, включват хемоглобин, бикарбонат, холестерол, триглицериди, урея, млечна киселина, общ протеин (но не отделни протеини) и глюкоза.

Chaiken и колегите използват техники за модулация, за да избират сигнала за аналита, който представлява интерес, от смущаващи сигнали в кръвта и околните тъкани. По-специално, те използват налягане, за да променят разпределението на кръвта в тъканта спрямо статичната фонова тъкан, като кожата, и след това изваждат спектъра, придобити с приложено налягане, от спектъра без приложено налягане.

Chaiken подозира, че неинвазивните измервания на Raman ще бъдат ограничени до спонтанен Raman или най-много слабо резонансен усилен Raman, вместо силно резонансен Raman, който би бил по-чувствителен. "За да се използва значително подобрение на резонанса, трябва да има значително поглъщане" на падащата светлина, казва той. „Ако има твърде много абсорбция, има прекомерно отлагане на енергия и получавате това, което наричаме самокаутеризираща рана“, обяснява той.

На ICORS Chaiken представи неинвазивни, in vivo спектри на хемоглобина. Този протеин прави отлична моделна система, тъй като спектърът му е добре установен in vitro и е слабо резонансен, подобрен с близкото инфрачервено възбуждане, което е необходимо за in vivo приложения. „Исках хората да видят, че можем недвусмислено да ви покажем нещо, което се измерва в тялото, без да се вади кръв“, казва Чайкен. По-трудно е да се докаже, че можете да откриете глюкоза с Raman, тъй като нейният спектър не е толкова силен или толкова различен, колкото този на хемоглобина, добавя той. Независимо от това, Chaiken посочва, че неговата група и две други групи са заявили независимо през последните 10 години, че наистина могат да измерват глюкозата, използвайки неинвазивен Raman.