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A indústria médica é uma nova fronteira para a espectroscopia Raman. Nos últimos anos, Raman tem sido usado em estudos odontológicos e de câncer, e agora está aproveitando esse sucesso por extensão em aplicações Point-of-Care (POC). Este artigo fornece uma visão geral de algumas pesquisas muito novas e interessantes sobre o uso da espectroscopia Raman para a detecção de tecido canceroso, biomarcadores de doenças e patógenos que causam doenças. 

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Detecção de infecção óssea com um espectrômetro Raman portátil

A complicação da infecção é um problema sério para o uso de enxertos ósseos humanos em cirurgia musculoesquelética. Staphylococcus epidermidis e Staphylococcus aureus são os culpados mais comuns em infecções relacionadas aos ossos, e o tratamento dessas bactérias é extremamente difícil.

Collage of many X-rays of joints.

A detecção de bactérias estafilococos no material do enxerto e a distinção entre osso saudável e doente são cruciais na prevenção da infecção. A cultura laboratorial tradicionalmente requer 7 a 10 dias para obter resultados e acarreta o risco de contaminação durante o transporte e os testes. Em casos positivos, o paciente deve ser tratado retroativamente com doses maciças de antibióticos. Uma solução ideal para este desafio é a análise no local que permite à equipe cirúrgica identificar e evitar ossos doentes no local.

Recentemente, um grupo de pesquisa na Áustria demonstrou uma diferenciação bem-sucedida entre amostras de ossos saudáveis e infectados e entre dois tipos de bactérias estafilocócicas usando um espectrômetro portátil MIRA Raman [1]. Seu procedimento analisou as bandas Raman da impressão digital de fosfatos, amidas e colágenos, e suas diferentes proporções de intensidade e largura de pico para distinguir entre osso saudável e doente. A análise de componentes principais (PCA) apoiou a análise óptica e foi usada na distinção mais precisa de cepas de estafilococos.

O grupo austríaco apreciou que o MIRA era «leve, compacto e alimentado por bateria» e que a espectroscopia Raman tem o benefício de «preparação mínima de amostras e resultados rápidos». Os testes exigiram apenas uma pequena amostra óssea para exame in-situ durante a cirurgia e forneceram resultados rápidos e precisos diretamente na sala de cirurgia.

Espectroscopia Raman para detecção de câncer

Os espectros de “impressão digital molecular” de Raman podem ser sensíveis o suficiente para detectar as alterações químicas que acompanham as doenças. Os espectrômetros Raman compactos podem ajudar os cirurgiões a avaliar tumores durante procedimentos cirúrgicos para uma tomada de decisão mais rápida. Exemplos de aplicação para câncer de mama e câncer de pâncreas são discutidos nas seções seguintes.

Espectroscopia Raman tradicional na avaliação do câncer de mama

Quando há suspeita de câncer de mama, normalmente é necessária uma cirurgia para biópsia e uma segunda para remoção de tumores malignos. A capacidade de avaliar tecidos suspeitos durante a cirurgia preliminar permite a remoção imediata, se necessário. O benefício para o paciente e para a indústria médica é inestimável – e pesquisas sugerem que a espectroscopia Raman pode atender a essa necessidade para alguns tipos de câncer.

A espectroscopia Raman é sensível o suficiente para detectar alterações nos tecidos resultantes de muitos tipos de câncer. Por exemplo, existem diferenças muito sutis nos espectros Raman de tecido mamário saudável e tumores malignos. Pesquisadores no Reino Unido usaram um dispositivo de laboratório i-Raman de alta resolução (figura 1) e ferramentas multivariadas, incluindo PCA, para discriminação bem-sucedida de tecidos saudáveis e cancerosos [2].

Figure 1. O espectrômetro Raman portátil i-Raman Prime 785S da Metrohm.

SERS para detecção e medição de biomarcadores de câncer pancreático

SERS (espectroscopia Raman de superfície aprimorada) pode ser uma solução quando Raman não é ideal para análise. Este pode ser o caso em situações em que o alvo existe numa matriz de amostra complexa ou devido à fluorescência de moléculas à base de carbono. SERS aumenta o sinal Raman, mas não o sinal de fluorescência concorrente. Além disso, o efeito SERS permite a detecção sensível de analitos em níveis de mg/L – às vezes até µg/L. Finalmente, os picos SERS são nítidos e bem definidos, permitindo a detecção e identificação eficiente dos analitos alvo.
 

Para saber mais sobre o SERS, leia nossa postagem anterior sobre este tópico.

Raman vs SERS… Qual é a diferença?


O câncer de pâncreas é mortal, em parte porque é difícil de diagnosticar. No entanto, existem alguns biomarcadores que estão presentes em níveis elevados em aproximadamente 75% dos casos positivos.3]. Estes podem ser detectados com ensaios imunoenzimáticos (ELISA), que medem uma variedade de biomarcadores, incluindo anticorpos, antígenos e proteínas.

Numa técnica emergente, um espectrómetro de laboratório i-Raman foi utilizado na Universidade de Utah para análise SERS em conjunto com ELISA para detectar um antigénio associado ao cancro do pâncreas.2]. O sinal SERS foi gerado a partir de uma molécula repórter complexada tanto com uma nanopartícula de ouro quanto com o analito alvo em um imunoensaio clássico de fluxo lateral ou “sanduíche” (Figura 2). Esta é uma técnica incrivelmente precisa, permitindo uma detecção muito sensível – com potencial de quantificação – do biomarcador de interesse.

Figure 2. A detecção de um antígeno associado ao câncer de pâncreas é possível com espectroscopia Raman de superfície aprimorada (SERS).

Ensaio rápido no local de atendimento (POC) para detecção de COVID-19 em nível de femtograma

MIRA XTR, um espectrômetro Raman portátil da Metrohm.
Figure 3. MIRA XTR, um espectrômetro Raman portátil da Metrohm.

Um formato ELISA alternativo foi usado por pesquisadores da Universidade de Wyoming para detectar biomarcadores de antígenos associados à infecção por COVID-19 [4]. Este estudo empregou um ensaio suportado por nanopartículas magnéticas para concentrar o biomarcador alvo em solução para posterior detecção de SERS com MIRA XTR (Figura 3). Provou ser mais sensível do que os ensaios de fluxo lateral comerciais, foi compatível com amostras de solvente e de saliva, pôde ser adaptado a novas variantes de vírus e alcançou um diagnóstico POC altamente sensível de COVID-19.

Os imunoensaios de fluxo lateral fornecem resultados relativamente rápidos, mas fornecem detecção em nível de nanograma e têm limitações de quantificação. Em comparação, o ELISA baseado em SERS é sensível a quantidades de femtograma de antígeno, com resultados rápidos no POC com um instrumento Raman portátil comercial.

Imunofenotipagem multiplex de células sanguíneas e de câncer de mama com espectroscopia Raman

Outro estudo utilizou o MIRA DS para avaliar um ELISA portátil baseado em SERS para imunofenotipagem de diferentes tipos de células vermelhas do sangue e de células de câncer de mama [5]. A distinção entre células saudáveis e doentes e a detecção de múltiplos bioalvos em uma amostra podem apoiar o tratamento informado de diferentes tipos de câncer de mama.

Este ensaio tinha “especificidade, sensibilidade e repetibilidade para… imunofenotipagem em diferentes tipos de células [usando] menor volume de amostra de análise em comparação com… imunoensaios multiplex convencionais”, e era menos “trabalhoso e tecnicamente simples de executar”. Os autores elogiaram o MIRA Varredura orbital para melhorar a sensibilidade do seu ensaio através de uma área maior de interrogação e medições com média espacial.

Os ensaios de fluxo de multiplexação tradicionais podem ser limitados pela disponibilidade de diferentes corantes coloridos e pela interpretação dos resultados. Eles também estão associados a uma grande área de laboratório. Em contraste, este método baseado em espectroscopia Raman portátil oferece o potencial para resultados POC precisos com tempo rápido de amostra até resultado, capacidade de multiplexação e um instrumento muito compacto. 

Fácil detecção de enzimas com efeito SERS eletroquímico

O instrumento SPELECRAMAN638 da Metrohm realiza medições espectroeletroquímicas Raman usando um laser de 638 nm.
Figure 4. O instrumento SPELECRAMAN638 da Metrohm realiza medições espectroeletroquímicas Raman usando um laser de 638 nm.

Uma técnica SERS muito diferente para caracterizar moléculas biológicas foi relatada por Metrohm [6]. SERS eletroquímico (EC-SERS) facilita dois experimentos ao mesmo tempo: ativação eletroquímica de características SERS de eletrodos de prata (Ag SPEs) seguida de detecção espectroscópica da amostra (com SPELECRAMAN638, Figura 4).

Aqui, o substrato SERS é gerado in-situ a partir de eletrodos de prata (impressos em tela e também convencionais). Isto é realizado na presença do analito durante interrogatório contínuo com Raman para otimizar a detecção de espécies ativas em SERS. A excitação de 638 nm proporciona um efeito SERS com boa intensidade, com menor risco de danos à amostra e fluorescência.

Determinar a estrutura das enzimas (e seu papel nas doenças), como a aldeído desidrogenase (ALDH), ajuda a compreender as doenças. Com o EC-SERS, os cientistas da aplicação definiram bandas Raman de impressão digital de ALDH anteriormente não relatadas em solução. Da mesma forma, os estados redox do citocromo c fornecem informações sobre o transporte de elétrons através das membranas celulares [7]. O citocromo c altera o estado de oxidação e conformação durante o experimento EC, e esses estados redox possuem espectros SERS distinguíveis.

Conclusão

A tecnologia Raman está realmente sendo utilizada de maneiras inovadoras. Grupos de investigação em todo o mundo estão a aplicar os seus benefícios consideráveis – incluindo sensibilidade, detecção de vestígios, formato pequeno e resultados rápidos – para detectar tecidos cancerígenos, biomarcadores de doenças e agentes patogénicos causadores de doenças. As descobertas são incrivelmente emocionantes e promissoras!

[1] Lindtner, R. A.; Wurm, A.; Pirchner, E.; e outros. Melhorando o diagnóstico de infecção óssea com espectroscopia portátil Raman: discriminação de patógenos e potencial diagnóstico. IJMS 2023, 25 (1), 541. DOI:10.3390/ijms25010541

[2] Thomas, R.; Bakeev, K.; Claybourn, M.; Chimenti, R. O Uso da Espectroscopia Raman no Diagnóstico do Câncer. Espectroscopia 2013, 28 (9), 36–43.

[3] Goonetilleke, K. S.; Siriwardena, A. K. Revisão Sistemática do Antígeno Carboidrato (CA 19-9) como Marcador Bioquímico no Diagnóstico do Câncer de Pâncreas. Eur J Surg Oncol 2007, 33 (3), 266–270. DOI:10.1016/j.ejso.2006.10.004

[4] Antônio, D.; Mohammadi, M.; Vitt, M.; e outros. Ensaio rápido ScFv-SERS no local de atendimento para detecção de nível de femtograma de SARS-CoV-2. Sensor ACS. 2022, 7 (3), 866–873. DOI:10.1021/acssensors.1c02664

[5] Wang, J.; Koo, K. M.; Trau, M. Imunofenotipagem Tetraplex de Proteomas de Superfície Celular via Nanotags Plasmônicas Sintetizadas e Espectroscopia Raman Portátil. Anal. Química. 2022, 94 (43), 14906–14916. DOI:10.1021/acs.analchem.2c02262

[6] Metrohm AG. Fácil detecção de enzimas com efeito eletroquímico-SERS; AN-RA-008; Metrohm AG: Herisau, Suíça, 2023.

[7] Brazhe, N. A.; Evlyukhin, A. B.; Goodilin, E. A.; e outros. Sondagem do citocromo c em mitocôndrias vivas com espectroscopia Raman de superfície aprimorada. Representante Científico 2015, 5 (1), 13793. DOI:10.1038/srep13793

Suas conclusões de conhecimento

Nota de aplicação: O uso da espectroscopia Raman no campo do diagnóstico do câncer

Nota de aplicação: Fácil detecção de enzimas com o efeito SERS eletroquímico – A ativação de recursos aprimorados de eletrodos de prata ajuda a obter bandas Raman características de moléculas biológicas

Soluções de detecção de traços SERS

Blogue: Perguntas frequentes (FAQ) sobre espectroscopia Raman: teoria e uso

Blogue: Perguntas frequentes (FAQ) sobre espectroscopia Raman: aplicações

Blogue: Aplicações Raman portáteis de 785 nm: recursos de identificação de materiais de última geração no seu bolso

Blogue: Espectroeletroquímica Raman da Índia à Espanha: História e aplicações

Espalhamento Raman Aprimorado por Superfície (SERS) – Expandindo os Limites da Análise Raman Convencional

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Espalhamento Raman Aprimorado por Superfície, ou SERS, é um aprimoramento anômalo do espalhamento Raman quando as moléculas são adsorvidas a nanopartículas de ouro ou prata - esse aprimoramento pode ser tão grande quanto 1e+7. A vantagem do SERS para o químico analítico reside na sua capacidade de detectar concentrações de analito de mg/L (ppm) e até µg/L (ppb), enquanto o Raman clássico é limitado a g/L (ppt). Metrohm Raman produz ensaios P-SERS na forma de nanopartículas impressas em substratos usando tecnologia de jato de tinta. Este método produz tiras de teste baratas que apresentam estabilidade e sensibilidade excepcionais. Existem dois mercados que podem ser facilmente abordados com o P-SERS: análise forense e segurança alimentar. Este white paper explica o mecanismo do SERS e como ele pode ser aplicado à análise Raman portátil com sistemas Metrohm Raman MIRA.

Autora
Gelwicks

Dr. Melissa Gelwicks

Especialista de Marketing
Metrohm Raman (uma divisão da Metrohm Spectro), Laramie, Wyoming (EUA)

Contato

Representante no Brasil

Vinicius Cavalcante

Coordenador da linha de produto de Espectroscopia
Metrohm Brasil

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