Институт межфазной инженерии и биотехнологии им. Фраунгофера IGB в Штутгарте теперь может быстро и точно анализировать живые клетки с помощью рамановской спектроскопии.
Неинвазивная оптическая процедура, которая распознает молекулярные отпечатки различных материалов, в основном использовалась для контроля качества лекарств и фармацевтических субстанций. Теперь биологи и биомедицинские исследователи также могут использовать эту технологию благодаря исследовательской работе в IGB. Технология подходит для исследования живых клеток без инвазивных методов или изменения их красителями.
Чтобы охарактеризовать стволовые клетки или идентифицировать изменения в тканях, вызванные опухолями, воспалениями, грибками или бактериями, теперь достаточно определить рамановский спектр отдельных клеток – специализированный энергетический спектр, обладающий особыми аналитическими возможностями,
«В рамках совместных проектов с университетами, промышленными партнерами и землей Баден-Вюртемберг за последние годы IGB разработала комплексное ноу-хау в этой области и продвинула технологию от использования в чистых исследованиях до промышленного внедрения. Теперь мы можем исследовать таким образом не только отдельные клетки, но и целые тканевые структуры и органы.
Затем мы хотим еще больше усовершенствовать технологию и разработать больше приложений », – говорит Проф. Катя Шенке-Лейланд из IGB.
Безошибочный рамановский спектр
Клеточные биологи в IGB используют специально разработанный рамановский спектроскоп, разработанный и построенный совместно с физиками из Института физических методов измерения Фраунгофера IPM во Фрайбурге, Германия.
Прибор компактен и может использоваться для исследования широкого круга научных задач. Ученые накапливают записанные ими спектры в базе данных. "Каждая ячейка имеет уникальный, безошибочный рамановский спектр.
Врачи могут сравнить образец из клеток своих пациентов с нашей базой данных и быстрее завершить диагностику », – говорит Шенке-Лейланд.
Технология уже применяется на практике промышленными партнерами. В настоящее время ученые работают над экспресс-тестом для диагностики рака. «Врачи, использующие мобильные рамановские спектроскопы во время операции, могут однозначно сказать, есть ли у пациента рак или нет, просто сравнив образец клеток с базой данных», – говорит Шенке-Лейланд.
Диагностика рака по-прежнему остается сложной и длительной. После иссечения ткани для биопсии ее сначала необходимо подготовить для дальнейшего анализа – например, путем подходящего сечения или окраски для определения биомаркеров. «Но это всегда требует вмешательства в образец и манипулирования им каким-либо образом», – говорит Шенке-Лейланд.
Затем образец передается патологу, который анализирует, содержит ли ткань злокачественные или доброкачественные клетки. Этот метод подвержен ошибкам и в конечном итоге может привести к тому, что образец станет непригодным для других испытаний. «Человеческий фактор уменьшается за счет сравнения с нашей базой данных на основе программного обеспечения», – говорит Шенке-Лейланд.
Работа в области диагностики рака и регенеративной медицины
У этой неинвазивной оптической технологии есть множество дополнительных применений, особенно в регенеративной медицине.
Искусственно выращенная ткань может заменять больные клетки у пациентов и тем самым способствовать заживлению тканей. Для этого необходимо, например, удалить тканеспецифические клетки костного мозга и извлечь стволовые клетки.
Костный мозг состоит из очень разнообразных клеток, и дифференцировать взрослые стволовые клетки от обычных тканевых клеток сложно. Кроме того, стволовые клетки должны быть на 100% правильно идентифицированы и отделены.
Если этого не происходит и в имплант культивируются другие типы клеток, организм может реагировать не так, как ожидалось, вызывая отторжение имплантата или образование опухоли.
Рамановская спектроскопия – это процесс однозначной идентификации и различения различных материалов друг от друга. Он основан на взаимодействии электромагнитного излучения и вещества. Если вещество облучается светом с точно определенной частотой, некоторые фотоны этого света взаимодействуют с молекулами вещества, что тем самым смещает собственный энергетический спектр фотонов.
Этот сдвиг частоты лазерного излучения, также известный как неупругое оптическое рассеяние, регистрируется рамановским спектроскопом. Эффект назван в честь индийского физика Ч. V. Раман, получивший Нобелевскую премию по физике 1930 года за свою работу.
Частотные сдвиги зависят от материала, и каждый материал имеет безошибочный спектральный отпечаток.