Спектроскопия в медицине

Оптическая спектроскопия и зондирование играют решающую роль в области биологических исследований и клинического оборудования. Оптическая спектроскопия представляет собой идеальное средство для неразрушающего отбора проб и анализа в реальном времени в лаборатории или in vivo. В последние годы с развитием устройств для оказания медицинской помощи росла потребность в подобных инструментах: увеличивался спрос на носимые диагностические системы и системы с низкими пределами обнаружения.  Большое значение имеют размер, характеристики и стоимость инструментов, что чаще всего является взаимоисключающими факторами. Также невозможно недооценить важность оптоволоконных технологий, которые обеспечивают микромасштабный отбор проб тканей, биологических жидкостей и синтезированных матриц, используемых в различных биологических приложениях.
В этой заметке основное внимание уделяется приложениям оптической спектроскопии в биологии человека с упором на клиническую помощь, исследования и биотехнологию.

Оптическая спектроскопия в клинической практике
Интеллектуальная биопсия/эндоскопия
Сегодня концепция интеллектуальной биопсии или эндоскопии может применяться для диагностических исследований и извлечения большей информации из инвазивных процедур. Интеллектуальная биопсия будущего направлена на разработку быстрого и минимально инвазивного диагностического инструмента, который при использовании в клинических условиях может сократить количество ненужных традиционных инвазивных биопсий и улучшить раннее выявление и лечение различных заболеваний.
Интеллектуальная биопсия и эндоскопия могут сочетать измерения отражения или флуоресценции тканей различным оборудованием. Волоконная оптика имеет решающее значение для извлечения спектроскопической информации во время этой процедуры. Требования к инструментам для данных процедур весьма высокие, ведь для отбора проб требуется высокая скорость и чувствительность. Для этих приложений прекрасно подходит AvaSpec-HS2048XL-EVO от Avantes. Этот инструмент предлагает высокую чувствительность и скорость сбора информации. Высокочувствительный оптический инструмент с числовой апертурой 0,22 сочетается со сложной электроникой, что сокращает время сбора всего до нескольких миллисекунд.

Мировые приложения технологии интеллектуальной биопсии
Во всем мире результаты лечения рака часто связаны с ранним выявлением и лечением. Такие виды рака, как рак предстательной железы, колоректальный рак, рак шейки матки и рак полости рта были объектами исследований по использованию спектроскопии диффузного отражения (DRS) для быстрой и точной диагностики. В развитом мире раннее обнаружение и лечение привели к снижению показателей летальности от эпителиального рака, но существующее диагностическое оборудование для выполнения DRS дорого, громоздко и требует большой выходной мощности. Также для этого требуется высококвалифицированный персонал. Эти приводит к тому, что из-за отсутствия диагностического оборудования страны с низким и средним уровнем доходов имеют непропорционально высокий уровень смертности от данных видов рака. Разработка портативного, недорогого, простого в использовании и, что наиболее важно, точного диагностического инструмента для обнаружения эпителиального рака спасла множество жизней во всем мире.
Исследования последних нескольких лет были сосредоточены на преодолении проблем, связанных с созданием надежной портативной системы DRS. Существуют две проблемы: неспособность стандартизировать давление, прикладываемое к датчику при выполнении тестов вручную, и отсутствие надежного способа выполнения калибровки в реальном времени, что приводит к большой погрешности измерений. Одно из возможных решений включает в себя самокалибрующийся канал с новой конструкцией зонда, которая добавляет оптический датчик давления к наконечнику зонда, что позволяет регистрировать данные только тогда, когда давление зонда попадает в предварительно определенный диапазон. Датчик давления и функция самокалибровки снижают потребность в расширенном обучении операторов и повышают точность и эффективность клинического исследования.
Система, разработанная для этого исследования, состояла из интеллектуального оптоволоконного зонда с датчиком давления, который объединяет канал измерения ткани и канал самокалибровки, соединенный с мощным белым светодиодом и светодиодными источниками света 850 нм, а также трехканальным матричным спектрометром серии AvaSpec-2048 и компьютером с программами для анализа LabView и Matlab. Два видимых канала (A и Б), охватывающих диапазон длин волн 400-635 нм с разрешением 1,8 нм, подключены к белому светодиоду и используются для спектроскопии диффузного отражения (DRS) и самокалибровки (SC). Канал В, охватывающий ближний ИК-диапазон от 750 до 932 нм с разрешением 0,23 нм, был подключен к светодиоду 850 нм и использовался для оптического датчика давления.
Исторический метод обнаружения и выявления рака прямой кишки – это визуальный осмотр с помощью эндоскопии с использованием белого света. Колоректальная карцинома обычно развивается на предсказуемых стадиях неопластической трансформации, что, в свою очередь, приводит к изменениям оптических характеристик трансформированных клеток. Под традиционной эндоскопией в белом свете невозможно обнаружить ранние стадии клеточных дефектов слизистой оболочки, в то время как флуоресцентная спектроскопия предлагает уникальный чувствительный инструмент для обнаружения ранних изменений физических свойств аномальных клеток. В зависимости от клеточной среды спектральные характеристики могут проявлять автофлуоресцентный ответ, смещающийся от 510-560 нм в здоровых клетках в сторону красного цвета при 630-690 нм относительно концентрации злокачественных тканей. Идеальной системой, разработанной для этого исследовательского приложения, был спектрометр AvaSpec-2048 (который с тех пор была заменен на AvaSpec-ULS2048CL-EVO), позволяющий измерять спектр 560-800 нм с держателем фильтра прямого крепления.

Рисунок 1. Спектрометр AvaSpec-ULS2048CL-EVO

В дальнейших исследованиях для выявления биомаркеров рака полости рта в слюне применяли спектроскопию ближнего ИК диапазона с использованием двухканальной спектрометрической системы, состоящей из спектрометров AvaSpec-ULS2048L и AvaSpec-NIR256-2.5-HSC-EVO NIRLine. А в другом исследовании партнеры из Ирана и Нидерландаов использовали спектрометр AvaSpec-2048-USB2 (который был заменен на AvaSpec-ULS2048CL-EVO) с галогеновым источником света AvaLight-Hal-S для идентификации предраковых заболеванй шейки матки посредством спектроскопии в отраженном свете. Эта неинвазивная методология может снизить количество ненужных биопсий.

Префузия крови
Перфузия крови определяется как объемный кровоток через объем или массу ткани. Ее можно измерить в единицах мл/мл/сек (или мл/100 г/мин), что представляет собой количество местного кровотока через капиллярную сеть и внеклеточные пространства в ткани. Этот параметр является важной лечебной диагностической процедурой для определения нормальной и патологической физиологии. Например, жизнеспособность тканевого трансплантата требует удовлетворительного послеоперационного кровоснабжения. Используя метод, называемый диффузной корреляционной спектроскопией (DCS), перфузия крови измеряется через рассмотрение разброса испускаемых фотонов как функции движения клеток в заданном объеме. Такой подход открывает перспективы для переносных систем спектроскопии, которые обеспечивают мониторинг состояния тканей в режиме реального времени. AvaSpec-Mini2048CL – идеальный кандидат для такой системы.

Рисунок 2. Пример проведения префузии крови у новорожденного 

Пульсоксиметрия
Технология пульсоксиметрии обеспечивает безболезненное и точное измерение пульса артериальной крови с кончика пальца, причем воспользоваться данной технологией может любой посетитель медицинского учреждения. Большинство устройств этого типа состоит из двух светодиодов: один на 650 нм (видимый), а другой на 950 нм (ближний инфракрасный), и двух датчиков, которые вместе измеряют поглощение кислорода (SPO2) на основе соотношений оксигемоглобина и дезоксигемоглобина. Хоть полный спектроскопический анализ в данном случае не требуются, для валидации и аттестации этих устройств и их подкомпонентов часто используются спектрометры. Учитывая требования к высокой скорости дискретизации, для этого приложения идеально подходит AvaSpec-ULS2048CL-EVO, который способен обеспечить 30 микросекундное время интегрирования и частоту дискретизации 2 кГц.

Анализ газового состава крови –  Со-оксиметрия
Со-оксиметрия относится к спектроскопическому методу, который позволяет количественно измерять параметры крови: оксигенированный гемоглобин (oxyHb), деоксигенированный гемоглобин (дезокси-Hb), карбоксигемоглобин (COHb) и метгемоглобин (MetHb) в процентах от общей концентрации гемоглобина в крови. В то время как пульсоксиметрия является мерой оксигенированного гемоглобина в процентах от общего гемоглобина, со-оксиметрия разделяет и количественно определяет все типы гемоглобина. Эти параметры крови традиционно измеряются с помощью спектрометра на пропускание/поглощение от 380 до 780 нм. Это приложение также требует исключительно низких характеристик паразитного света и термостабильности в оборудовании. Для этого приложения Avantes успешно внедрил AvaSpec-ULS2048CL-EVO и его субкомпонентный оптический инструмент Avabench-75-ULS2048CL-U3 в клинические устройства. AvaSpec-Mini2048CL также является идеальным кандидатом из-за своего небольшого размера.

Рисунок 3. Спектрометр Avantes серии Mini

Медицинские исследования
Диффузное отражение
Исследователи из лазерного Института Ирвина Бекмана (расположенного в кампусе Калифорнийского университета в Ирвине) использовали спектроскопию в ближнем инфракрасном диапазоне не только для выявления и мониторинга уменьшения опухолевой массы во время химиотерапевтического лечения, но и для характеристики конкретных гистологических особенностей с целью прогнозирования реакции на лечение. Измерения спектроскопии диффузного отражения по своей природе требуют высокой чувствительности, для чего Avantes специально разработал высокочувствительный спектрометр AvaSpec-HS2048XL-EVO. Этот прибор обладает числовой апертурой 0,22 и детектором с большим разрешением, обеспечивающим полный сбор света, принимаемого оптоволокном с той же числовой апертурой.

Рисунок 5. Пример проведения спектрометрии для выявления нежелательных образований
 

© Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ