Переміщення спектроскопії Рамана в клініку
Молекулярна чутливість спектроскопії КРС робить його перспективним для клінічного застосування: він може ідентифікувати патогени набагато швидше, ніж сучасні методи, досліджувати циркулюючі пухлинні клітини, допомагати хірургам відрізняти пухлини від здорових тканин та визначати хімічну природу серцево-судинних бляшок та оцінювати їх тяжкість.
Сучасне старіння населення представляє великий виклик: забезпечення доступних та стійких систем охорони здоров’я. У міру зростання кількості людей старше 65 років суспільство стикається зі збільшенням вікових захворювань. Відповідно, кількість випадків дегенерації жовтої плями в Німеччині, наприклад, зросте більш ніж удвічі протягом наступних 15 років. Прогнозується подібне збільшення кількості серцевих нападів та нових випадків деменції, тоді як кількість нововиявлених випадків раку зросте на "лише" 50 відсотків. 1 Крім того, нові проблеми, такі як зростаючий ризик пандемії, будуть шукати шляхи вирішення. У той же час часто необережне використання антибіотиків поступово призводить до появи стійких збудників. 2
Для вирішення всіх цих завдань потрібні нові методи та пристрої, за допомогою яких - в ідеалі - можна заразитися та боротися із захворюваннями ще до їх поширення.
Ключовими можуть бути фотонні методи. Фотоніка дозволить зрозуміти розвиток хвороби на молекулярному рівні і, отже, сприятиме персоналізованій медицині. Особливо перспективним і універсальним фотонним методом є спектроскопія КРС та її варіанти. Як і у всіх методах на основі світла, спектроскопія КР дозволяє проводити безконтактні вимірювання, але, на відміну від флуоресцентної спектроскопії, наприклад, вона не вимагає екзогенних міток. Це означає, що методика може суттєво прискорити або навіть замінити лабораторний аналіз та забезпечити діагностику майже у пацієнта, оскільки вона є відносно швидкою та дуже точною. Особливо в області візуалізації слід підкреслити високу специфічність та низьку інвазивність. Подальші переваги спектроскопії КР включають високу просторову роздільну здатність, відсутність потреби у трудомісткій підготовці зразків та здатність працювати у водному середовищі.
Діагностика збудника
Класично діагностика збудників заснована на ініціюванні, зростанні та аналізі культури збудників, що може зайняти до тижня і вимагає досвідченого персоналу. Але у випадку сепсисного шоку, наприклад, рівень виживання різко знижується з кожною годиною, яка проходить перед цілеспрямованим лікуванням, - падаючи до рівня менше 20 відсотків лише через 12 годин. В ідеальному випадку інфекція буде пов’язана з патогеном протягом декількох годин.
Оскільки кожен бактеріальний вид має унікальний раманівський підпис, спектроскопія Рамана добре підходить для його ідентифікації. Крім того, за допомогою мікроскопії Рамана спектру однієї бактерії, як правило, достатньо для ідентифікації.3. Однак розрізнення між спектрами різних видів часто є тонкими, і диференціація за допомогою візуального огляду загалом неможлива. Спектр бактерій в кінцевому рахунку є сумою спектральних сигнатур усіх речовин, що містяться, таких як вода, білки, жири, нуклеїнові кислоти та вуглеводи (рис. 1а). Навіть бактерії одного і того ж виду виявляють незначні варіації, спричинені різницею в стані росту, різними умовами серед пацієнтів, такими як стан харчування та умови лікування, та різною локалізацією у пацієнтів (вогнища інфекції). Для патогенних мікроорганізмів, що знаходяться поза пацієнтом, певну роль відіграють такі фактори навколишнього середовища, як вміст кисню та вуглекислого газу в повітрі, температура та світло.
Фігура 1. (a) Спектри КРС основних біологічних компонентів бактерій: води, білка, нуклеїнових кислот (ДНК), вуглеводів та жирів. У спектрах КРС різних штамів стафілококів, які служать прикладами, можна розпізнати кілька смуг окремих компонентів. () Провідник біочастинок від rapID. Зображення надані авторами.
Рішення полягає у застосуванні хімічних методів до спектрів КРС бактерій. У цьому випадку спектр розбивається на окремі ділянки, які математично порівнюються з еквівалентними ділянками в бактеріальних спектрах, зібраних у великій базі даних. В середньому можна правильно визначити майже 99 відсотків видів бактерій, і навіть штам можна визначити із середньою точністю більше 92 відсотків. 3 Для визначення бактеріального забруднення в чистих приміщеннях або системах кондиціонування повітря вже є комерційне відповідне рішення (Bio Particle Explorer від rapID, малюнок 1b). Ця система використовує флуоресцентну спектроскопію для розрізнення між неживими частинками та бактеріями; Потім бактерії ідентифікуються за допомогою спектроскопії Рамана.
Його потенціал для клінічного використання вимагає здатності ідентифікувати бактерії в складних середовищах, таких як слина, сеча або навіть кров. Загалом, бактерії повинні відокремлюватися від цих середовищ; інакше носій заважає ідентифікації або навіть робить це неможливим. Для цього етапу розділення в даний час розробляються мікрофлюїдні мікросхеми, які використовують, наприклад, діелектрофорез для захоплення бактерій і роблять їх доступними для вимірювання. 4 Цей метод також може бути використаний для вимірювання бактерій безпосередньо в розчині і, таким чином, дозволяє - крім ідентифікації - твердження про чутливість або стійкість до антибіотиків.