Za przykład można tutaj dać techniki z pogranicza elektrochemii czy też elektroanalityki, a konkretniej – elektroimpedancji. Techniki elektroimpedancyjne znalazły zastosowanie w warunkach klinicznych już w latach 50 XX w., jednak wówczas nie były tak bardzo dokładne i służyły przede wszystkim do oceny przepływu w kończynach. Wykorzystywana w tym celu pletyzmografia impedancyjna jest badaniem, które pozwala ocenić opór, jaki stawiają drogi oddechowe przepływającemu przez nie powietrzu, co z kolei jest niezwykle przydatne w ocenie zwężenia oskrzeli. Pomimo niedokładnych pomiarów, techniki elektroimpedancyjne są cały czas rozwijane, a ich parametry, w tym czułość i właśnie precyzyjność, poprawiane. Dzięki temu znalazły one zastosowanie w wielu gałęziach medycyny, takich jak kardiologia i kardiochirurgia, dermatologia, alergologia, onkologia i wiele, wiele innych.

Czym jest spektroskopia impedancyjna?

Istotne wydaje się zatem wyjaśnienie, czym są techniki elektroimpedancyjne i czym w ogóle jest elektrochemia. Jako jeden z działów chemii znajduje ona zastosowanie w wielu dziedzinach nauki, w tym właśnie w medycynie, a jej podstawowym zadaniem jest badanie właściwości elektrycznych związków chemicznych czy też elektrycznych aspektów zachodzących reakcji. W tym celu wykorzystuje ona wiele narzędzi, np. potencjometrię i woltamperometrię, wymienione we wcześniejszych artykułach, czy też spektroskopię impedancyjną właśnie. Spektroskopia impedancyjna, nazywana także elektrochemiczną spektroskopią impedancyjną lub elektryczną spektroskopią impedancyjną (EIS), w bardzo dużym uproszczeniu pozwala na pomiar i analizę reakcji zachodzących na elektrodzie, a także procesów zachodzących na jej powierzchni. Ostatnio pojawiło się bardzo dużo badań, które wykorzystują tę właśnie technikę w medycynie, m.in. w diagnostyce raka.

Spektroskopia impedancyjna w medycynie

Jak wspomniano, techniki spektroskopii impedancyjnej umożliwiają przeprowadzanie badań klinicznych pomocnych w wykrywaniu raka. Obecne badania skupiają się na ulepszaniu technologii pomiarowej opartej na sensorach elektrochemicznych w celu różnicowania zmian nowotworowych złośliwych i łagodnych u ludzi. W jednym z badań techniki impedancyjne pozwalają na odróżnienie anomalii złośliwych od niezłośliwych, a także wczesne wykrycie zmian nowotworowych skóry. Co ciekawe, jak podają badacze, jednym z wyzwań przyszłych badań nad wykrywaniem zmian nowotworowych przy użyciu technik spektroskopii impedancyjnej może być głębokość, na jakiej znajduje się guz. Guzy u pacjentów z rakiem skóry nie są głębokie i zwykle znajdują się na jej powierzchni. Głębokość, na jaką prąd elektryczny może wniknąć w tkankę, stanowi połowę odległości między elektrodami, dlatego na potrzeby testowania tej techniki na pacjentach chorych na raka skóry zaprojektowano małą odległość pomiędzy elektrodami tak, aby większość prądu elektrycznego przepływała przez guz na skórze. Potrzebne są zatem ulepszenia i rozwój technik impedancyjnych, a także dostosowanie ich do potrzeb diagnostyki indywidualnej.

Spektroskopia impedancyjna to również potencjalna, nieinwazyjna technika obrazowania kobiet pod kątem raka piersi. Badania wykazały charakterystyczne dyspersje częstotliwości w przewodności elektrycznej i przenikalności elektrycznej tkanki złośliwej w porównaniu z tkanką prawidłową. Impedancja elektryczna tkanki jest związana z jej budową i to właśnie ta cecha charakterystyczna została wykorzystana w jednym z badań do różnicowania tkanek prawidłowych i nowotworowych w różnych narządach, np. w piersi, szyjce macicy, skórze i pęcherzu moczowym.

W innym badaniu zostały opisane także testy komórkowe oparte na impedancji, które stały się alternatywnym podejściem do badania właściwości komórek macierzystych, gdyż w obliczu pojawiającego się wyzwania, jakim jest monitorowanie w czasie rzeczywistym trójwymiarowej spektroskopii dielektrycznej hodowli komórkowych i tomografii impedancyjnej elektrycznej, technika ta stanowi realną alternatywę pomiarową. Chociaż technikę pomiaru impedancji należy brać pod uwagę w przypadku różnych zastosowań w hodowlach komórkowych, możliwe jest opracowanie systemu EIS obejmującego mikrośrodowisko, specjalistyczną konfigurację elektrod i połączoną metodę wychwytywania elektrod, aby w pełni zrozumieć charakterystyczne właściwości komórek, w tym komórek nowotworowych. Co ciekawe, zastosowanie nanomateriałów, takich jak np. nanocząstki, nanorurki, nanodruty i nanokompozyty, może znaczącą ulepszyć technikę pomiarową EIS poprzez zapewnienie lepszej aktywności katalitycznej, ulepszone unieruchomienie elementów, przyspieszenie transferu elektronów oraz zwiększoną niezawodność i dokładność pomiarów EIS. W związku z tym w jednym z badań technikę tę wykorzystano do skutecznego ilościowego i jakościowego wykrywania patogenów, DNA, biomarkerów związanych z nowotworami itp.

Biospektroskopia impedancyjna

Jest to technika, która może być wykorzystywana w jednej z odmian elektrochemii, jaką jest bioelektrochemia, która ostatnio odnotowuje z kolei znaczący rozwój i zaczyna mieć wyraźny wpływ na inne dziedziny nauki, jak medycyna czy biologia. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna jest często wykorzystywana przez naukowców pracujących na styku biologii, medycyny i elektrochemii, a także w neuronauce. Pomiary impedancyjne można zastosować w szczególności do monitorowania adhezji i wzrostu komórek oraz zmian morfologicznych podczas różnicowania neuronów, obserwowania mechanizmów apoptozy komórek, zwyrodnienia neuronów i rozróżnienia określonych typów komórek. Co ciekawe, patogeny występujące w organizmie można łatwo zidentyfikować na podstawie ich właściwości elektrycznych. Analiza bioimpedancji elektrycznej (BIA) jest zatem szeroko stosowana do charakteryzowania krwi, moczu czy potu. Jeśli stężenie glukozy we krwi zmienia właściwości elektryczne ośrodka krwi, wówczas widmo impedancji uzyskane za pomocą BIA można wykorzystać do pomiaru glikemii.

Tego typu techniki mogą być także wykorzystywane w stosunkowo nowej dziedzinie nauki, jaką jest inżynieria tkankowa. Bioelektryczna spektroskopia impedancyjna tkanek dostarcza ważnych informacji na temat składu molekularnego i struktury fizycznej, przydatnych w diagnostyce i prognozowaniu. Niejednorodność elementów strukturalnych komórek, tkanek, narządów i całego organizmu ludzkiego, zmienność składu molekularnego wynikająca z dynamiki reakcji biochemicznych oraz udział związków elektroreaktywnych, takich jak jony czy białka, sprawiają, że bioimpedancja jest trudna do interpretacji, ale stanowi także potężną technikę oceny i monitorowania w biomedycynie. Rozwój strategii inżynierii tkanki kostnej i medycyny regeneracyjnej zwrócił uwagę w kierunku leczenia ubytków wielkości krytycznej kości (CSD). W jednym z badań wykorzystano zatem technikę spektroskopii impedancji elektrycznej (EIS) do ilościowego monitorowania i oceny zmian impedancji elektrycznej, a tym samym – procesu regeneracji tkanki kostnej. W przeprowadzonych testach in vitro skupiono się na zmianach biochemicznych obszaru złamania oraz wpływie kolagenu i hydroksyapatytu na zmiany impedancji elektrycznej metodą EIS. Dzięki temu badacze byli w stanie ocenić zmiany w regeneracji i strukturze kości.

Kolejnym przykładem może być oparta na komórkach spektroskopia impedancyjna (CBI), która stanowi potężne narzędzie wykorzystujące zasady elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej do pomiaru zmian impedancji elektrycznej w stosunku do napięcia przyłożonego do warstwy ogniwa. CBI stanowi obiecującą platformę do wykrywania kilku właściwości komórek, w tym adhezji, ruchliwości, proliferacji, żywotności i metabolizmu hodowli komórkowej. Dokonano krótkiego przeglądu teorii, oprzyrządowania i zasad wykrywania CBI. Szczegółowo opisano za to najnowsze zastosowania tej techniki w badaniach nad nowotworami, chorobami neurodegeneracyjnymi, toksykologią, a także w hodowlach komórkowych in vitro. CBI uznano za marker biofizyczny zapewniający ilościowe informacje komórkowe, które można łatwo dostosować do analizy pojedynczych komórek w celu uzupełnienia istniejących biomarkerów do badań klinicznych nad postępem choroby.

Podsumowanie

Jak więc można zauważyć, techniki z pogranicza elektrochemii oraz elektroanalityki, a w szczególności spektroskopia impedancyjna, znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach nauki. Są one coraz częściej wykorzystywane w diagnostyce poważnych chorób, jak nowotwory czy inne choroby cywilizacyjne. Oprócz wyżej wymienionych zastosowań spektroskopii impedancyjnej służy ona także do diagnostyki w dermatologii, alergologii, była również używana w przypadku wykrywania wirusa SARS-CoV-2. Zatem szczególnie istotne wydaje się rozwijanie tych technik pod kątem ich większej czułości i dokładności pomiarowej, co może bezpośrednio przyczynić się do rozwoju medycyny i diagnostyki, przede wszystkim – wcześniejszego wykrywania wielu chorób.