Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Przełom w diagnostyce nowotworów – mikrospektroskopia i obrazowanie Ramana
Przełom w diagnostyce nowotworów – mikrospektroskopia i obrazowanie Ramana
Metodami powszechnie stosowanymi w diagnostyce zmian nowotworowych są: mammografia (w przypadku raka piersi), ultrasonografia oraz ostatecznie potwierdzające diagnozę badanie histopatologiczne tkanek pobranych podczas biopsji. Możliwe jest jednak zastosowanie metod spektroskopowych w diagnostyce zmian onkologicznych.

 

Nowotwory w Polsce

Jedną z głównych przyczyn umieralności na świecie są choroby nowotworowe. Prawie 20% zgonów każdego roku powodowanych jest przez nowotwory. Jest to druga najczęstsza przyczyna zgonów zaraz za chorobami układu krążenia. W Polsce z tego powodu umiera około 70 tys. osób rocznie i chociaż schorzenie to dotyczy głównie osób starszych to blisko 40% tej grupy stanowią kobiety w wieku 45-65 lat.

Spektroskopia Ramana – co to jest?

Spektroskopia wibracyjna, w tym spektroskopia Ramana, jest jedną z najdynamiczniej rozwijających się dziedzin biospektroskopii znajdującej szerokie zastosowanie w analizie zmian nowotworowych. Spektroskopia Ramana znana jest już od prawie 100 lat, ale dopiero w ostatnich dziesięcioleciach dzięki rozwojowi mikroelektroniki, informatyki oraz statystyki staje się coraz szerzej wykorzystywanym narzędziem badawczym w analizie układów biologicznych. Pozwala ona przede wszystkim badać nawet pojedynczą komórkę w jej naturalnym środowisku fizjologicznym, bez konieczności jej wcześniejszego, specyficznego przygotowania, a kontrast jest osiągany poprzez naturalne różnice w przekroju czynnym na rozpraszanie poszczególnych struktur komórkowych, chociaż badany mikrospektroskopowo preparat można dodatkowo wybarwić dla pogłębienia tego kontrastu.

Jak działa mikrospektroskop Ramana?

Wszystkie cząsteczki budujące nasz organizm wykonują drgania (różne typy, np. wahadłowe, wachlarzowe, rozciągające wiązania między cząsteczkami).  W ten sposób jesteśmy w stanie identyfikować substancje tworzące nasze tkanki za pomocą graficznej ilustracji drgań – widma.

 

Rys. 1. Widma Ramana: (a) tkanki o utkaniu prawidłowym, (b) łagodnej  dysplazji (łac. dysplasia benigna mammae),

Źródło: B. Brożek-Płuska, I. Placek, K. Kurczewski, Z. Morawiec, M. Tazbir, H. Abramczyk, J. Mol. Liq. 2008, 141,145

 

Spektroskopia Ramana umożliwia rozpoznanie zmian nowotworowych w oparciu o identyfikację charakterystycznych pasm Ramana tkanek o utkaniu prawidłowym pochodzących od karotenoidów (drgania wahadłowego grupy CH3 sprzężonego z drganiem rozciągającym C-C (1004 cm-1), drgania rozciągającego C-C łańcucha (1158 cm-1), drgania rozciągającego C=C(1518 cm-1), lipidów C-H drgania rozciągające (2800-3100 cm-1) oraz wody.

 

Źródło: http://mitr.p.lodz.pl/raman/LLSM2014.pdf

 

Przedmiotem badań są preparaty z usuniętych nowotworów z ciała pacjenta (wycinek histopatologiczny), często porównuje się tkankę chorą z otaczającą ją tkanką zdrową, gdyż tkanka jest pobierana z marginesem błędu.

Położenie pasma pozwala zidentyfikować rodzaj substancji w tkance, inne położenie będą miały lipidy, inne białka. Szerokość pasma informuje nas o oddziaływaniu, czyli o drganiu danej cząstki.

 

Rys. 2. Porównanie widm Ramana tkanki o utkaniu prawidłowym (linia niebieska) oraz zmienionej nowotworowo (linia czerwona) dla tego samego pacjenta otrzymanych metodą obrazowania Ramana.

Źródło: H. Abramczyk, B. Brożek-Płuska, J. Surmacki, J Jabłońska-Gajewicz, R. Kordek, Prog. Biophys. Mol. Biol. 2012, 108, 74

 

Analizując takie widmo identyfikuje się substancje i określa się czy ich budowa jest prawidłowa lub czy są to tkanki chore. Widmo zdrowych i chorych tkanek różni się od siebie, a także w przypadku chorych tkanek mogą pojawić się różne substancje dodatkowe.

Np. profil widma Ramana nowotworowej tkanki piersi ludzkiej jest bardzo dobrze odtwarzany przez widmo zwierzęcej tkanki mięśniowej zdominowanej przez białka. Spostrzeżenie to potwierdza wzrost udziału białek w tkankach nowotworowych w porównaniu z tkankami o budowie prawidłowej (Rys. 3)

Mikrospektoskopią Ramana można oznaczać markery nowotworowe. Rolę markera może pełnić każda substancja, która jest produkowana przez zmienione nowotworowo komórki bądź jest syntezowana i uwalniana przez komórki prawidłowe w wyniku toczącego się procesu nowotworowego. Można za jej pomocą identyfikować również różne substancje chemiczne.

 

Rys. 3. Porównanie widm Ramana białek z widmem Ramana tkanki nowotworowej.

Źródło: B. Brozek-Pluska, J. Musial, R. Kordek, E. Bailo, T. Dieing, H. Abramczyk,
Analyst 2012, 137 (16), 3773.

 

Mikrospektroskop - jak sama nazwa wskazuje:  łączy mikroskop, spektroskop i aparaturę, która analizuje i obrazuje odpowiednie przesunięcia w widmie powstałe w wyniku odpowiedzi na promieniowanie laserowe. Silne źródło promieniowania (jak właśnie laser) jest niezbędne do wzbudzania, gdyż częstotliwość linii widma ramanowskiego określona jest względem częstotliwości promieniowania wzbudzającego.

Połączenie metod spektroskopii Ramana z mikroskopią konfokalną pozwala na konstruowanie map rozkładu różnych substancji w masie badanej próbki, w tym projekcji 3D, z ekstremalnie wysoką rozdzielczością, czyli wykonywanie tak zwanego obrazowania (mapowania) Ramana.

Mikrospektroskopia Ramana pozwala też na badanie substancji wykorzystywanych w walce z nowotworami np. kumulujemy w tkankach nowotworowych ftalocyjaniny lub inne porfiryny i niszczymy je przez działanie promieniem lasera. Ponieważ są to fotouczulacze oznacza to, iż łatwo ulegają zniszczeniu przez wypalenie promieniem lasera, co sprawia, iż niszczona zostaje przede wszystkim tkanka nowotworowa z oszczędzeniem zdrowej tkanki.

Fotouczulacze, takie jak porfiryny, wykazują również duże powinowactwo do fibryny, kolagenu i elastyny − składników zrębu naczyniowego oraz nowotworu. Fotouczulaczem może być dowolna substancja, która wykazuje zróżnicowane powinowactwo do komórek o budowie prawidłowej i zmienionych nowotworowo. Musi być to róęwnież substancja, która na skutek wzbudzenia promieniowaniem elektromagnetycznym inicjuje ciąg reakcji prowadzących w sposób pośredni lub bezpośredni do zniszczenia komórek nowotworowych. Szczególną rolę odgrywają ftalocyjaniny - syntetyczne pigmenty o budowie zbliżonej do występujących w środowisku naturalnym porfiryn.

 Żródło: http://mitr.p.lodz.pl/raman/LLSM2014.pdf

 

Ftalocyjaniny spełniają większość założeń idealnego fotouczulacza w terapii: nie wykazują cytotoksyczności bez udziału światła, są więc bezpieczne dla pacjenta, efektywnie generują rodnikowe formy tlenu, preferencyjnie kumulują się w komórkach nowotworowych. Bardzo ważnym zagadnieniem, w kontekście zastosowań ftalocyjanin w PDT (fotodynamicznej terapii przeciwnowotworowej), jest zdolność ftalocyjanin do wiązania się z komórkami nowotworowymi, w tym określonymi strukturami i organellami komórek rakowych.

Źródła
  1. B. Brożek-Płuska, I. Szymczyk, H. Abramczyk, J.Mol.Struc, 2005, 744, 481. IF: 1,611
  2. K. Cendrowski, A. Lewicka, Nowa Klinika, 2009, 16(13), 13021
  3. http://mitr.p.lodz.pl/raman/LLSM2014.pdf
  4. A. Graczyk, Biochemiczne i biofizyczne podstawy fotodynamicznej metody
    wykrywania i leczenia nowotworów, Fotodynamiczna metoda rozpoznawania
    i leczenia nowotworów, Dom Wydawniczy Bellona, Warszawa 1999
  5. E. Leporowska, A. Kaczmarek, K. Lamperska, A. Mackiewicz, Współcz. Onkol.
    2006, 6, 303.
  6. B. Brożek-Płuska, I. Placek, K. Kurczewski, Z. Morawiec, M. Tazbir, H. Abramczyk,
    J. Mol. Liq. 2008, 141,145
  7. B. Brozek-Pluska, J. Musial, R. Kordek, E. Bailo, T. Dieing, H. Abramczyk,
    Analyst ,2012, 137 (16), 3773.
  8. H. Abramczyk, B. Brożek-Płuska, J. Surmacki, J Jabłońska-Gajewicz, R. Kordek,
    Prog. Biophys. Mol. Biol. 2012, 108, 74
  9. L. Stryer, Biochemia, PWN, Warszawa 1997
KOMENTARZE
Newsletter