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L'industrie médicale est une nouvelle frontière pour la spectroscopie Raman. Au cours des dernières années, le Raman a été utilisé dans les études dentaires et cancéreuses, et s'appuie maintenant sur ce succès pour étendre ses applications aux dépistages. Cet article donne un aperçu de certaines recherches très récentes et passionnantes sur l'utilisation de la spectroscopie Raman pour la détection de tissus cancéreux, de biomarqueurs de maladies et d'agents pathogènes qui causent des maladies.

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Détection d'une infection osseuse à l'aide d'un spectromètre Raman portatif

Les complications infectieuses constituent un problème sérieux pour l'utilisation de greffons osseux humains en chirurgie musculo-squelettique. Staphylococcus epidermidis et Staphylococcus aureus sont les responsables les plus courants des infections liées aux os, et le traitement de ces bactéries est extrêmement difficile.

Collage de plusieurs radiographies d'articulations.

La détection des bactéries staphylocoques sur le matériau de greffe et la distinction entre os sain et os malade sont toutes deux cruciales pour prévenir l'infection. La culture en laboratoire nécessite traditionnellement 7 à 10 jours pour obtenir des résultats et comporte un risque de contamination pendant le transport et l'analyse. Dans les cas positifs, le patient doit être traité rétroactivement avec des doses massives d'antibiotiques. La solution idéale pour relever ce défi est l'analyse sur place, qui permet à l'équipe chirurgicale d'identifier et d'éviter les os malades sur place.

Récemment, un groupe de recherche autrichien a réussi à différencier des échantillons d'os sains et infectés ainsi que deux types de bactéries staphylocoques à l'aide d'un spectromètre Raman MIRA portatif [1]. Leur procédure a analysé les bandes Raman des phosphates, des amides et des collagènes, ainsi que leurs différents rapports d'intensité et de largeur de pic, afin de distinguer les os sains des os malades. L'analyse en composantes principales (ACP) a soutenu l'analyse optique et a été utilisée pour une distinction plus fine des souches de staphylocoques.

Le groupe autrichien a apprécié le fait que MIRA soit "léger, compact et alimenté par une batterie" et que la spectroscopie Raman présente l'avantage d'une "préparation minimale de l'échantillon et de résultats rapides". Les tests n'ont nécessité qu'un minuscule échantillon d'os pour l'examen in situ pendant l'opération et ont fourni des résultats rapides et précis directement dans la salle d'opération.

Spectroscopie Raman pour la détection du cancer

Les spectres de l'"empreinte moléculaire" de Raman peuvent être suffisamment sensibles pour détecter les changements chimiques qui accompagnent les maladies. Les spectromètres Raman compacts peuvent aider les chirurgiens à évaluer les tumeurs pendant les interventions chirurgicales pour une prise de décision plus rapide. Des exemples d'application pour le cancer du sein et le cancer du pancréas sont examinées dans les sections suivantes.

La spectroscopie Raman traditionnelle dans l'évaluation du cancer du sein

En cas de suspicion de cancer du sein, une première intervention chirurgicale est généralement nécessaire pour la biopsie et une seconde pour l'ablation des tumeurs malignes. La possibilité d'évaluer les tissus suspects au cours de l'intervention chirurgicale préliminaire permet une ablation immédiate, si nécessaire. Le bénéfice pour le patient et pour l'industrie médicale est inestimable et la recherche suggère que la spectroscopie Raman pourrait répondre à ce besoin pour certains types de cancer.

La spectroscopie Raman est suffisamment sensible pour détecter les changements dans les tissus résultant de nombreux types de cancer. Par exemple, il existe des différences très subtiles entre les spectres Raman des tissus mammaires sains et ceux des tumeurs malignes. Des chercheurs britanniques ont utilisé un appareil de laboratoire i-Raman à haute résolution (figure 1) et des outils multivariés, dont l'ACP, pour réussir à distinguer les tissus sains des tissus cancéreux [2].

Figure 1. Le spectromètre Raman portable i-Raman Prime 785S de Metrohm.

SERS pour la détection et la mesure des biomarqueurs du cancer du pancréas

La SERS (spectroscopie Raman améliorée par les surfaces) peut être une solution lorsque le Raman n'est pas idéal pour l'analyse. Cela peut être le cas lorsque la cible se trouve dans une matrice d'échantillon complexe ou en raison de la fluorescence des molécules à base de carbone. L'effet SERS renforce le signal Raman, mais pas le signal fluorescent concurrent. En outre, l'effet SERS permet une détection sensible des analytes à des niveaux de mg/L - parfois jusqu'à µg/L. Enfin, les pics SERS sont nets et bien définis, ce qui permet une détection et une identification efficaces des substances à analyser.

Pour en savoir plus sur SERS, lisez notre précédent article de blog sur ce sujet.

Raman vs SERS... Quelle est la différence ?


Le cancer du pancréas est mortel, en partie parce qu'il est difficile à diagnostiquer. Toutefois, certains biomarqueurs sont présents à des niveaux élevés dans environ 75 % des cas positifs [3]. Ceux-ci peuvent être détectés à l'aide de tests immuno-enzymatiques (ELISA), qui mesurent une variété de biomarqueurs, y compris des anticorps, des antigènes et des protéines.

Dans une technique émergente, un spectromètre i-Raman de laboratoire a été utilisé à l'Université de l'Utah pour l'analyse SERS en conjonction avec l'ELISA afin de détecter un antigène associé au cancer du pancréas [2]. Le signal SERS a été généré à partir d'une molécule rapporteur complexée à une nanoparticule d'or et à l'analyte cible dans le cadre d'un immunodosage classique à flux latéral ou "en sandwich" (figure 2). Il s'agit d'une technique incroyablement précise, qui permet une détection très sensible - avec un potentiel de quantification - du biomarqueur en question.

Figure 2. La détection d'un antigène associé au cancer du pancréas est possible grâce à la spectroscopie Raman améliorée par la surface (SERS).

Test rapide de dépistage pour la détection de COVID-19 au niveau du femtogramme

MIRA XTR, a handheld Raman spectrometer from Metrohm.
Figure 3. MIRA XTR, un spectromètre Raman portable de Metrohm.

Des chercheurs de l'Université du Wyoming ont utilisé un autre format ELISA pour détecter les biomarqueurs antigéniques associés à l'infection par COVID-19 [4]. Cette étude a utilisé un essai reposant sur des nanoparticules magnétiques pour concentrer le biomarqueur cible en solution en vue d'une détection SERS ultérieure avec MIRA XTR (figure 3). Ce test s'est avéré plus sensible que les tests de flux latéral commerciaux, il était compatible avec les échantillons de solvant et de salive, il pouvait être adapté à de nouvelles variantes de virus et il a permis de réaliser un diagnostic POC très sensible du COVID-19.

Les immunodosages à flux latéral fournissent des résultats relativement rapides, mais ils permettent une détection à l'échelle du nanogramme et présentent des limites de quantification. En comparaison, l'ELISA basé sur SERS est sensible à des quantités d'antigène de l'ordre du femtogramme, avec des résultats rapides au point de vente grâce à un instrument Raman portable commercial.

Immunophénotypage multiplex de cellules sanguines et de cellules cancéreuses du sein par spectroscopie Raman

Une autre étude a utilisé MIRA DS pour évaluer un ELISA portable basé sur SERS pour l'immunophénotypage de différents types de sang rouge et de surfaces de cellules cancéreuses du sein [5]. La distinction entre les cellules saines et malades et la détection de plusieurs cibles biologiques dans un seul échantillon peuvent contribuer à un traitement éclairé des différents types de cancer du sein.

Ce test présentait "une spécificité, une sensibilité et une répétabilité pour ... l'immunophénotypage dans différents types de cellules [en utilisant] un volume d'échantillon d'analyse plus petit que les immunodosages multiplex ... conventionnels", et il était moins "exigeant en termes de main-d'œuvre et techniquement plus simple à réaliser". Les auteurs ont fait l'éloge de MIRA Orbital Raster Scan pour améliorer la sensibilité de leur essai grâce à une plus grande zone d'interrogation et à des mesures moyennées dans l'espace.

Les tests de flux traditionnels de multiplexage peuvent être limités par la disponibilité de colorants différents et l'interprétation des résultats. Ils sont également associés à un encombrement important du laboratoire. En revanche, cette méthode basée sur la spectroscopie Raman portable offre la possibilité d'obtenir des résultats précis au niveau du POC, avec un temps de passage rapide de l'échantillon au résultat, une capacité de multiplexage et un instrument très compact.

Détection aisée d'enzymes grâce à l'effet électrochimique-SERS

The SPELECRAMAN638 instrument from Metrohm performs spectroelectrochemical Raman measurements using a 638 nm laser.
Figure 4. L'instrument SPELECRAMAN638 de Metrohm effectue des mesures Raman spectroélectrochimiques à l'aide d'un laser de 638 nm.

Une technique SERS très différente pour caractériser les molécules biologiques a été rapportée par Metrohm [6]. La SERS électrochimique (EC-SERS) permet de réaliser deux expériences à la fois : l'activation électrochimique des caractéristiques SERS des électrodes d'argent (SPEs Ag) suivie de la détection spectroscopique de l'échantillon (avec SPELECRAMAN638, figure 4).

Ici, le substrat SERS est généré in situ à partir d'électrodes d'argent (sérigraphiées ou conventionnelles). Cette opération est réalisée en présence de l'analyte et sous interrogation Raman continue afin d'optimiser la détection des espèces actives SERS. L'excitation à 638 nm permet d'obtenir un effet SERS de bonne intensité, avec un risque moindre d'endommagement de l'échantillon et de fluorescence.

La détermination de la structure des enzymes (et de leur rôle dans les maladies), comme l'aldéhyde déshydrogénase (ALDH), aide à comprendre les maladies. Avec l'EC-SERS, les scientifiques ont défini des bandes Raman d'empreintes digitales de l'ALDH en solution qui n'avaient jamais été signalées auparavant. De même, les états d'oxydoréduction du cytochrome c fournissent des informations sur le transport des électrons à travers les membranes cellulaires [7]. Le cytochrome c change d'état d'oxydation et de conformation pendant l'expérience EC, et ces états redox possèdent des spectres SERS distincts.

Conclusion

La technologie Raman est véritablement utilisée de manière innovante. Des groupes de recherche du monde entier utilisent ses avantages considérables - notamment sa sensibilité, la détection de traces, son faible encombrement et la rapidité des résultats - pour détecter des tissus cancéreux, des biomarqueurs de maladies et des agents pathogènes à l'origine de maladies. Les résultats sont incroyablement passionnants et prometteurs !

[1] Lindtner, R. A.; Wurm, A.; Pirchner, E.; et al. Enhancing Bone Infection Diagnosis with Raman Handheld Spectroscopy: Pathogen Discrimination and Diagnostic Potential. IJMS 2023, 25 (1), 541. DOI:10.3390/ijms25010541

[2] Thomas, R.; Bakeev, K.; Claybourn, M.; Chimenti, R. The Use of Raman Spectroscopy in Cancer Diagnostics. Spectroscopy 2013, 28 (9), 36–43.

[3] Goonetilleke, K. S.; Siriwardena, A. K. Systematic Review of Carbohydrate Antigen (CA 19-9) as a Biochemical Marker in the Diagnosis of Pancreatic Cancer. Eur J Surg Oncol 2007, 33 (3), 266–270. DOI:10.1016/j.ejso.2006.10.004

[4] Antoine, D.; Mohammadi, M.; Vitt, M.; et al. Rapid, Point-of-Care ScFv-SERS Assay for Femtogram Level Detection of SARS-CoV-2. ACS Sens. 2022, 7 (3), 866–873. DOI:10.1021/acssensors.1c02664

[5] Wang, J.; Koo, K. M.; Trau, M. Tetraplex Immunophenotyping of Cell Surface Proteomes via Synthesized Plasmonic Nanotags and Portable Raman Spectroscopy. Anal. Chem. 2022, 94 (43), 14906–14916. DOI:10.1021/acs.analchem.2c02262

[6] Metrohm AG. Easy Detection of Enzymes with the Electrochemical-SERS Effect; AN-RA-008; Metrohm AG: Herisau, Switzerland, 2023.

[7] Brazhe, N. A.; Evlyukhin, A. B.; Goodilin, E. A.; et al. Probing Cytochrome c in Living Mitochondria with Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. Sci Rep 2015, 5 (1), 13793. DOI:10.1038/srep13793

Vos connaissances à emporter

Note d'application : L'utilisation de la spectroscopie Raman dans le domaine du diagnostic du cancer

Note d'application : Détection aisée d'enzymes grâce à l'effet électrochimique-SERS - L'activation des caractéristiques améliorées des électrodes d'argent permet d'obtenir les bandes Raman caractéristiques des molécules biologiques.

Solutions de détection de traces SERS

Blog : Foire aux questions (FAQ) sur la spectroscopie Raman : Théorie et utilisation

Blog : Foire aux questions (FAQ) sur la spectroscopie Raman : Applications

Blog : Applications Raman 785 nm portables : Des capacités d'identification des matériaux de pointe dans votre poche

Blog : La spectroélectrochimie Raman de l'Inde à l'Espagne : Histoire et applications

Diffusion Raman améliorée par les surfaces (SERS) - Repousser les limites de l'analyse Raman conventionnelle

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La diffusion Raman améliorée par les surfaces, ou SERS, est une amélioration anormale de la diffusion Raman lorsque des molécules sont adsorbées sur des nanoparticules d'or ou d'argent - cette amélioration peut atteindre 1e+7. L'avantage de la SERS pour le chimiste analytique réside dans sa capacité à détecter des concentrations d'analyte de mg/L (ppm) et même de µg/L (ppb), alors que le Raman classique est limité à g/L (ppt). Metrohm Raman produit des tests P-SERS sous forme de nanoparticules imprimées sur des substrats à l'aide de la technologie du jet d'encre. Cette méthode permet d'obtenir des bandelettes de test peu coûteuses qui présentent une stabilité et une sensibilité exceptionnelles. Deux marchés peuvent être facilement abordés avec le P-SERS : l'analyse médico-légale et la sécurité alimentaire. Ce livre blanc explique le mécanisme de SERS et comment il peut être appliqué à l'analyse Raman portable avec les systèmes Metrohm Raman MIRA.

Auteur
Gelwicks

Dr. Melissa Gelwicks

Spécialiste en marketing
Metrohm Raman (une division de Metrohm Spectro), Laramie, Wyoming (États-Unis)

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