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医療産業はラマン分光法にとって新たなフロンティアです。過去数年間、ラマンは歯科やがん研究で使用されてきましたが、今ではこの成功を拡大し、診療所での応用に取り組んでいます。この記事では、がん組織や疾患のバイオマーカー、病気の原因となる病原体の検出にラマン分光法を使用した、新しくエキサイティングなする研究について概説しています。

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ハンドヘルドラマン分光計による骨感染の検出

感染からの合併症は、整形外科手術における人工骨移植の使用にとって深刻な問題です。表皮ブドウ球菌と黄色ブドウ球菌は、骨に関連する感染症で最も一般的な原因菌であり、これらの細菌の治療は非常に困難です。

Collage of many X-rays of joints.

移植片に付着した黄色ブドウ球菌の検出と、健常骨と病変骨の区別は、感染予防に極めて重要です。検査室での培養は従来、結果が出るまでに7～10日を要し、輸送中や検査中に汚染のリスクが伴います。陽性の場合、患者は大量の抗生物質で遡及的に治療を受ける必要があります。この課題に対する理想的な解決策は、外科チームがその場で病変骨を特定し、回避できるようにするオンサイト分析です。

最近、オーストリアの研究グループが、ハンドヘルド型ラマン分光計MIRAを使用して、健康と感染した骨サンプル、および2種類のブドウ球菌を成功裏に区別しました。彼らの手法は、リン酸塩、アミド、およびコラーゲンの指紋ラマンバンドを分析し、その異なる強度とピーク幅の比率を用いて健康と疾患のある骨を区別しました。主成分分析（PCA）は光学分析を支援し、ブドウ球菌株の微細な区別に使用されました。

オーストリアのグループは、MIRAが「軽量でコンパクトでバッテリー駆動」であり、ラマン分光法の利点は「最小限の試料準備と迅速な結果」であることを評価しました。テストでは手術中に現場で微小な骨サンプルを用いた現地での検査が必要であり、手術室で直接迅速かつ正確な結果を提供しました。

癌検出のためのラマン分光計

ラマンの「分子の指紋」スペクトルは、病気に伴う化学変化を検出するのに十分な感度を持つことがあります。コンパクトなラマン分光計は、外科医が手術中に腫瘍を評価し、迅速な意思決定を行うのに役立ちます。乳がんや膵臓がんの応用例については、以下のセクションで議論されています。

乳がん評価における伝統的なラマン分光法

乳がんが疑われる場合、通常は1回の手術が生検のために必要で、2回目は悪性腫瘍の切除のために行われます。予備手術中に疑わしい組織を評価する能力があれば、必要に応じて即座に切除することができます。これにより、患者と医療業界にとっての利益は計り知れないものがあります。そして、研究によると、ラマン分光法が一部のがんの種類に対してこのニーズを満たす可能性があるとされています。

ラマン分光法は、多くの種類のがんによって引き起こされる組織の変化を検出するほど感度が高いです。例えば、健康な乳房組織と悪性腫瘍との間には、非常に微妙な違いがラマンスペクトルに見られます。英国の研究者たちは、高解像度のi-Raman実験装置（図1）や、PCAを含む多変量ツールを使用して、健康な組織とがん組織を成功裏に識別しました。

図1. メトロームのi-Raman Prime 785S ポータブルラマン分光計

膵臓がんバイオマーカーの検出と測定のためのSERS

SERS（表面増強ラマン分光法）は、ラマンが分析に最適でない場合の解決策となり得ます。これは、対象物が複雑なサンプルマトリックス中に存在する場合や、炭素ベースの分子の蛍光の影響による場合があります。SERSはラマン信号を増強しますが、競合する蛍光信号を増強しません。また、SERS効果により、ミリグラム/リットルのレベルでの分析物の感度が向上し、場合によってはマイクログラム/リットルまで下がります。最後に、SERSピークは鋭く、よく定義されており、目標の分析物を効率的に検出および識別することができます。

SERSについて詳しく知りたい場合は、当社の以前のブログ投稿をご覧ください。

ラマン対SERS... 違いは何ですか？

膵臓がんは致死的であり、その一因は診断が難しいためです。しかし、陽性例の約75％で高レベルに存在するいくつかのバイオマーカーがあります。これらは、抗体、抗原、およびタンパク質を含むさまざまなバイオマーカーを測定する酵素連結免疫吸収法（ELISA）で検出できます。

新興の手法では、ユタ大学でi-Raman実験室分光計が使用され、ELISAと組み合わせて膵臓がんに関連する抗原を検出するためのSERS分析に使用されました。SERS信号は、ゴールドナノ粒子と目標の分析物の両方に結合した報告蛍光分子から生成されました。これは、非常に精度の高い技術であり、興味の対象となるバイオマーカーの非常に感度の高い検出および量化の可能性を提供します。

図2. 膵臓がんに関連する抗原の検出は、表面増強ラマン分光法（SERS）で可能です。

COVID-19のフェムトグラムレベルの迅速なポイントオブケア（POC）アッセイ

MIRA XTRは、メトロームの携帯用ラマン分光計です。
Figure 3. メトロームの 携帯用ラマン分光計MIRA XTR


ワイオミング大学の研究者たちは、COVID-19感染に関連する抗原バイオマーカーを検出するために、別のELISA形式を使用しました。この研究では、溶液中のターゲットバイオマーカーを濃縮するために磁性ナノ粒子支持アッセイを用い、その後、MIRA XTRを用いてSERS検出が行われました。この手法は商用の側面流れアッセイよりも感度が高く、溶媒と唾液サンプルの両方と互換性があり、新しいウイルス変異に適応することができ、COVID-19の高感度なPOC診断を実現しました。

側面流れ免疫アッセイは比較的迅速な結果を提供しますが、ナノグラムレベルの検出を行い、定量の制限があります。それに対して、SERSベースのELISAは抗原のフェムトグラム量に感度があり、商用の携帯用ラマン装置を用いて迅速なPOCでの結果を得ることができます。


ラマン分光法による血液および乳がん細胞の多重免疫表現型解析

別の研究では、MIRA DSを使用して、異なる種類の赤血球と乳がん細胞表面の免疫表現型を評価するための携帯用SERSベースのELISAが行われました。健康な細胞と病気の細胞の区別や、1つのサンプル中で複数のバイオターゲットの検出は、さまざまな種類の乳がんの情報を得た治療をサポートできます。

このアッセイは、「従来の...多重免疫アッセイと比較して、より小さな解析サンプル量を使用して異なる細胞タイプの免疫表現型解析において特異性、感度、および再現性を有し、労力が少なく技術的にも直感的である」とされています。著者は、MIRAの軌道ラスタースキャンを通じて、より大きな対象領域と空間的に平均化された測定を介して、彼らのアッセイの感度を向上させる点を称賛しました。

従来の多重フローアッセイは、さまざまな色の染料の利用可能性や結果の解釈によって制限されることがあります。また、大規模な実験室のスペースを必要とします。それに対して、携帯用ラマン分光法に基づくこの方法は、正確なPOC結果を迅速に得る可能性を提供し、多重化能力を持ち、非常にコンパクトな機器です。

電気化学的-SERS効果による酵素の簡単な検出

メトロームのSPELECRAMAN638は、638 nmのレーザーを使用した分光電気化学ラマン測定を行う装置です。
図4. メトロームのSPELECRAMAN638は、638 nmのレーザーを使用した分光電気化学ラマン測定を行う装置です。

メトロームによって報告された生体分子を特性化するための非常に異なるSERS技術があります。電気化学SERS（EC-SERS）は、銀電極（Ag SPEs）のSERS特性の電気化学的活性化と、その後の試料の分光検出（SPELECRAMAN638、図4）を同時に可能にします。

ここでは、SERS基板は現地で銀電極（スクリーン印刷および従来の銀電極）から生成されます。これは、連続的なラマンによるSERS活性種の検出を最適化するために、分析物の存在下で行われます。638 nmの励起は、良好な強度のSERS効果を提供し、サンプルの損傷と蛍光のリスクが少なくなります。

アルデヒドデヒドロゲナーゼ（ALDH）などの酵素の構造（および疾患における役割）を決定することは、疾患を理解するのに役立ちます。EC-SERSでは、アプリケーションの科学者たちは、溶液中のALDHの以前に報告されていない指紋ラマンバンドを定義しました。同様に、シトクロムcの酸化還元状態は、細胞膜を介した電子輸送に関する情報を提供します。Cytochrome cはEC実験中に酸化還元および構造状態が変化し、これらの酸化還元状態には区別可能なSERSスペクトルが存在します。

結論

ラマン技術は、革新的な方法で実際に活用されています。世界中の研究グループは、その優れた利点（感度、微量検出、小型形状、迅速な結果を含む）を活かし、がん組織、疾病のバイオマーカー、病原体を検出するために応用しています。その成果は非常に興奮を覚えるものであり、将来性に満ちています！

[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.

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[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

参考資料

Application Note: The Use of Raman Spectroscopy in the Field of Cancer Diagnostics

Application Note: Easy detection of enzymes with the electrochemical-SERS effect – Activation of enhanced features of silver electrodes helps obtain characteristic Raman bands of biological molecules

SERS trace detection solutions

Blog: Frequently Asked Questions (FAQ) about Raman spectroscopy: Theory and usage

Blog: Frequently Asked Questions (FAQ) about Raman spectroscopy: Applications

Blog: Handheld 785 nm Raman applications: Cutting edge material ID capabilities in your pocket

Blog: Raman spectroelectrochemistry from India to Spain: History and applications

Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) – Expanding the Limits of Conventional Raman Analysis

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Surface-Enhanced Raman Scattering, or SERS, is an anomalous enhancement of Raman scattering when molecules are adsorbed to gold or silver nanoparticles – this enhancement can be as large as 1e+7. The advantage of SERS for the analytical chemist lies in its ability to detect analyte concentrations of mg/L (ppm) and even µg/L (ppb), while classical Raman is limited to g/L (ppt). Metrohm Raman produces P-SERS assays in the form of nanoparticles printed onto substrates using inkjet technology. This method produces inexpensive test strips that exhibit exceptional stability and sensitivity. There are two markets that can be easily addressed with P-SERS: forensic analysis and food safety. This White Paper explains the mechanism of SERS and how it can be applied to handheld Raman analysis with Metrohm Raman MIRA systems.

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メトロームジャパン株式会社

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作成者
Gelwicks

Dr. Melissa Gelwicks

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

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