Punto de atención con Raman: detección de cáncer, infecciones y más

La industria médica es una nueva frontera para la espectroscopia Raman. En los últimos años, Raman se ha utilizado en estudios dentales y sobre el cáncer, y ahora está aprovechando este éxito extendiéndolo a aplicaciones de punto de atención (POC). Este artículo ofrece una descripción general de algunas investigaciones muy nuevas y apasionantes sobre el uso de la espectroscopia Raman para la detección de tejido canceroso, biomarcadores de enfermedades y patógenos que causan enfermedades.

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Detección de infección ósea con un espectrómetro Raman portátil
Espectroscopía Raman para la detección del cáncer.
Espectroscopia Raman tradicional en la evaluación del cáncer de mama.
SERS para la detección y medición de biomarcadores de cáncer de páncreas
Ensayo rápido en el punto de atención (POC) para la detección de COVID-19 a nivel de femtograma
Inmunofenotipado múltiple de células sanguíneas y de cáncer de mama con espectroscopia Raman
Fácil detección de enzimas con el efecto electroquímico-SERS.

Detección de infección ósea con un espectrómetro Raman portátil

Las complicaciones por infección son un problema grave para el uso de injertos óseos humanos en cirugía musculoesquelética. Estafilococo epidermidis y Estafilococo aureus son los culpables más comunes de las infecciones relacionadas con los huesos y el tratamiento de estas bacterias es extremadamente difícil.

La detección de estafilococos en el material de injerto y la distinción entre hueso sano y enfermo son cruciales para prevenir infecciones. El cultivo de laboratorio tradicionalmente requiere de 7 a 10 días para obtener resultados y conlleva el riesgo de contaminación durante el transporte y las pruebas. En los casos positivos, el paciente debe ser tratado retroactivamente con dosis masivas de antibióticos. Una solución ideal para este desafío es el análisis in situ que permite al equipo quirúrgico identificar y evitar el hueso enfermo en el acto.

Recientemente, un grupo de investigación en Austria demostró una diferenciación exitosa entre muestras de hueso sano e infectado y entre dos tipos de estafilococos utilizando un espectrómetro Raman MIRA de mano.1]. Su procedimiento analizó las huellas dactilares de las bandas Raman de fosfatos, amidas y colágenos, y sus diferentes proporciones de intensidad y ancho de pico para distinguir entre hueso sano y enfermo. El análisis de componentes principales (PCA) respaldó el análisis óptico y se utilizó para distinguir con mayor precisión las cepas de estafilococos.

El grupo austriaco valoró que MIRA fuera "ligero, compacto y funcionara con baterías" y que la espectroscopía Raman tuviera la ventaja de una "preparación mínima de muestras y resultados rápidos". Las pruebas requirieron solo una pequeña muestra de hueso para el examen in situ durante la cirugía y proporcionaron resultados rápidos y precisos directamente en el quirófano.

Espectroscopía Raman para la detección del cáncer.

Los espectros de «huellas dactilares moleculares» de Raman pueden ser lo suficientemente sensibles como para detectar los cambios químicos que acompañan a las enfermedades. Los espectrómetros Raman compactos pueden ayudar a los cirujanos a evaluar tumores durante los procedimientos quirúrgicos para una toma de decisiones más rápida. Ejemplos de aplicación para cáncer de mama y cáncer de páncreas se analizan en las siguientes secciones.

Espectroscopia Raman tradicional en la evaluación del cáncer de mama.

Cuando se sospecha cáncer de mama, generalmente se requiere una cirugía para realizar una biopsia y una segunda para extirpar los tumores malignos. La capacidad de evaluar los tejidos sospechosos durante la cirugía preliminar permite su extracción inmediata, si es necesario. El beneficio para el paciente y para la industria médica es inestimable, y las investigaciones sugieren que la espectroscopia Raman puede satisfacer esta necesidad para algunos tipos de cáncer.

La espectroscopia Raman es lo suficientemente sensible como para detectar cambios en el tejido que resultan de muchos tipos de cáncer. Por ejemplo, existen diferencias muy sutiles en los espectros Raman del tejido mamario sano y de los tumores malignos. Investigadores del Reino Unido utilizaron un dispositivo de laboratorio i-Raman de alta resolución (Figura 1) y herramientas multivariadas, incluido PCA, para una discriminación exitosa de tejidos sanos y cancerosos [2].

Figure 1. El espectrómetro Raman portátil i-Raman Prime 785S de Metrohm.

SERS para la detección y medición de biomarcadores de cáncer de páncreas

SERS (espectroscopia Raman mejorada en superficie) puede ser una solución cuando Raman no es ideal para el análisis. Este puede ser el caso en situaciones en las que el objetivo existe en una matriz de muestra compleja o debido a la fluorescencia de moléculas a base de carbono. SERS mejora la señal Raman, pero no la señal de fluorescencia competitiva. Además, el efecto SERS permite la detección sensible de analitos a niveles de mg/L, a veces hasta µg/L. Finalmente, los picos de SERS son nítidos y bien definidos, lo que permite una detección e identificación eficientes de los analitos objetivo.

Para obtener más información sobre SERS, lea nuestra publicación de blog anterior sobre este tema.

Raman vs SERS… ¿Cuál es la diferencia?

El cáncer de páncreas es mortal, en parte porque es difícil de diagnosticar. Sin embargo, hay algunos biomarcadores que están presentes en niveles elevados en aproximadamente el 75% de los casos positivos.3]. Estos se pueden detectar con ensayos inmunoabsorbentes ligados a enzimas (ELISA), que miden una variedad de biomarcadores, incluidos anticuerpos, antígenos y proteínas.

En una técnica emergente, se utilizó un espectrómetro de laboratorio i-Raman en la Universidad de Utah para análisis SERS junto con ELISA para detectar un antígeno asociado con el cáncer de páncreas.2]. La señal SERS se generó a partir de una molécula informadora complejada con una nanopartícula de oro y el analito objetivo en un inmunoensayo de flujo lateral o «sándwich» clásico (Figura 2). Se trata de una técnica increíblemente precisa que permite una detección muy sensible (con potencial de cuantificación) del biomarcador de interés.

Figure 2. La detección de un antígeno asociado con el cáncer de páncreas es posible mediante espectroscopía Raman de superficie mejorada (SERS).

Ensayo rápido en el punto de atención (POC) para la detección de COVID-19 a nivel de femtograma

Figure 3. MIRA XTR, un espectrómetro Raman portátil de Metrohm.

Investigadores de la Universidad de Wyoming utilizaron un formato ELISA alternativo para detectar biomarcadores de antígenos asociados con la infección por COVID-19.4]. Este estudio empleó un ensayo soportado por nanopartículas magnéticas para concentrar el biomarcador objetivo en solución para la posterior detección de SERS con MIRA XTR (figura 3). Demostró ser más sensible que los ensayos de flujo lateral comerciales, era compatible con muestras de disolvente y de saliva, podía adaptarse a nuevas variantes del virus y logró un diagnóstico POC de COVID-19 altamente sensible.

Los inmunoensayos de flujo lateral brindan resultados relativamente rápidos, pero brindan detección a nivel de nanogramos y tienen limitaciones de cuantificación. En comparación, el ELISA basado en SERS es sensible a cantidades de femtogramos de antígeno, con resultados rápidos en el POC con un instrumento Raman portátil comercial.

Inmunofenotipado múltiple de células sanguíneas y de cáncer de mama con espectroscopia Raman

Otro estudio utilizó MIRA DS para evaluar un ELISA portátil basado en SERS para la inmunofenotipificación de diferentes tipos de superficies de células rojas de la sangre y de cáncer de mama.5]. Distinguir células sanas y enfermas y detectar múltiples objetivos biológicos en una muestra puede respaldar el tratamiento informado de diferentes tipos de cáncer de mama.

Este ensayo tenía "especificidad, sensibilidad y repetibilidad para... inmunofenotipado en diferentes tipos de células [utilizando] un volumen de muestra de análisis más pequeño en comparación con... los inmunoensayos multiplex convencionales", y era menos "requerido de mano de obra y técnicamente sencillo de realizar". Los autores elogiaron la Escaneo ráster orbital para mejorar la sensibilidad de su ensayo a través de un área más grande de interrogación y mediciones promediadas espacialmente.

Los ensayos de flujo de multiplexación tradicionales pueden verse limitados por la disponibilidad de tinciones de diferentes colores y la interpretación de los resultados. También están asociados con una gran huella de laboratorio. Por el contrario, este método basado en espectroscopia Raman portátil ofrece la posibilidad de obtener resultados POC precisos con un tiempo rápido de muestra a resultado, capacidad de multiplexación y un instrumento muy compacto.

Fácil detección de enzimas con el efecto electroquímico-SERS.

Figure 4. El instrumento SPELECRAMAN638 de Metrohm realiza mediciones espectroelectroquímicas Raman utilizando un láser de 638 nm.

Metrohm ha descrito una técnica SERS muy diferente para caracterizar moléculas biológicas.6]. El SERS electroquímico (EC-SERS) facilita dos experimentos a la vez: activación electroquímica de las características SERS de los electrodos de plata (Ag SPE) seguida de la detección espectroscópica de la muestra (con SPELECRAMAN638, Figura 4).

Aquí, el sustrato SERS se genera in situ a partir de electrodos de plata (tanto serigrafiados como convencionales). Esto se logra en presencia del analito mientras se realiza un interrogatorio continuo con Raman para optimizar la detección de especies activas en SERS. La excitación de 638 nm proporciona un efecto SERS con buena intensidad, con menos riesgo de daño a la muestra y fluorescencia.

Determinar la estructura de enzimas (y su papel en las enfermedades), como la aldehído deshidrogenasa (ALDH), ayuda a comprender las enfermedades. Con EC-SERS, los científicos de la aplicación definieron en solución bandas Raman de huellas dactilares de ALDH no informadas anteriormente. De manera similar, los estados redox del citocromo c proporcionan información sobre el transporte de electrones a través de las membranas celulares.7]. El citocromo c cambia el estado de oxidación y de conformación durante el experimento EC, y estos estados redox poseen espectros SERS distinguibles.

Conclusión

La tecnología Raman realmente se está utilizando de formas innovadoras. Grupos de investigación de todo el mundo están aplicando sus considerables beneficios (incluyendo sensibilidad, detección de rastros, factor de forma pequeño y resultados rápidos) para detectar tejido canceroso, biomarcadores de enfermedades y patógenos que causan enfermedades. ¡Los hallazgos son increíblemente emocionantes y prometedores!

[1] Lindner, R. A.; Sierpe, A.; Pirchner, E.; et al. Mejora del diagnóstico de infecciones óseas con espectroscopia portátil Raman: discriminación de patógenos y potencial de diagnóstico. IJMS 2023, 25 (1), 541. DOI:10.3390/ijms25010541

[2] Tomás, R.; Bakeev, K.; Claybourn, M.; Chimenti, R. El uso de la espectroscopia Raman en el diagnóstico del cáncer. Espectroscopia 2013, 28 (9), 36–43.

[3] Goonetilleke, K. S.; Siriwardena, A. K. Revisión sistemática del antígeno carbohidrato (CA 19-9) como marcador bioquímico en el diagnóstico del cáncer de páncreas. Eur J Surg Oncol 2007, 33 (3), 266–270. DOI:10.1016/j.ejso.2006.10.004

[4] Antonio, D.; Mohammadi, M.; Vitt, M.; et al. Ensayo ScFv-SERS rápido en el lugar de atención para la detección del nivel de femtograma del SARS-CoV-2. Sensores ACS. 2022, 7 (3), 866–873. DOI:10.1021/acssensors.1c02664

[5] Wang, J.; Koo, K. METRO.; Trau, M. Inmunofenotipado tetraplex de proteomas de la superficie celular mediante nanoetiquetas plasmónicas sintetizadas y espectroscopia Raman portátil. Anal. Química. 2022, 94 (43), 14906–14916. DOI:10.1021/acs.analchem.2c02262

[6] Metrohm AG. Fácil detección de enzimas con el efecto electroquímico-SERS; AN-RA-008; Metrohm AG: Herisau, Suiza, 2023.

[7] Brazhe, N. A.; Evlyukhin, A. B.; Goodilin, E. A.; et al. Sondeo del citocromo c en mitocondrias vivas con espectroscopia Raman mejorada en superficie. Representante de ciencia 2015, 5 (1), 13793. DOI:10.1038/srep13793

Nota de aplicación: El uso de la espectroscopia Raman en el campo del diagnóstico del cáncer

Nota de aplicación: Fácil detección de enzimas con el efecto electroquímico SERS: la activación de características mejoradas de los electrodos de plata ayuda a obtener bandas Raman características de moléculas biológicas.

Soluciones de detección de rastros SERS

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Dispersión Raman mejorada en superficie (SERS): ampliando los límites del análisis Raman convencional

La dispersión Raman mejorada en superficie, o SERS, es una mejora anómala de la dispersión Raman cuando las moléculas se adsorben en nanopartículas de oro o plata; esta mejora puede ser tan grande como 1e+7. La ventaja de SERS para el químico analítico radica en su capacidad para detectar concentraciones de analitos de mg/L (ppm) e incluso µg/L (ppb), mientras que el Raman clásico se limita a g/L (ppt). Metrohm Raman produce ensayos P-SERS en forma de nanopartículas impresas sobre sustratos mediante tecnología de inyección de tinta. Este método produce tiras reactivas económicas que exhiben una estabilidad y sensibilidad excepcionales. Hay dos mercados que pueden abordarse fácilmente con P-SERS: análisis forense y seguridad alimentaria. Este documento técnico explica el mecanismo de SERS y cómo se puede aplicar al análisis Raman portátil con los sistemas Metrohm Raman MIRA.

Autora

Dr. Melissa Gelwicks

Marketing Specialist
Metrohm Raman (a division of Metrohm Spectro), Laramie, Wyoming (USA)