Молекулярная патология с помощью ИК- и Раман-спектральной визуализации

ИК- и Раман-спектральная визуализация могут различать типы тканей, виды и стадии заболеваний, а также идентифицировать первичные опухоли по спектральным паттернам, наблюдаемым в метастатических клетках. Кроме того, эти методы можно использовать для обнаружения циркулирующих опухолевых клеток.

За последние 15 лет были разработаны методы колебательной спектроскопии, которые можно рассматривать как методы молекулярной патологии, зависящие от анализа всего генома, протеома и метаболома клеток и тканей, а не от поиска отдельных маркеров. Основное отличие от устоявшихся методов заключается в том, что не требуется морфологической информации и окрашивающих реагентов, поскольку ИК- и Раман-спектры основаны исключительно на молекулярных и биохимических особенностях, которые можно исследовать неразрушающим способом. Пиксель за пикселем можно детектировать присущие спектральные сигнатуры биохимических компонентов ткани.

В обзорной статье команда учёных из Северо-Восточного университета в Бостоне (США), Института фотонных технологий в Йене и Йенского университета (Германия) даёт обзор современного состояния «молекулярной патологии», обеспечиваемой колебательной микроспектроскопией. Авторы представляют методологическую основу и обсуждают результаты в контексте спектральной гистопатологии.

Колебательную спектроскопию можно наблюдать как в поглощении (ИК-абсорбционная спектроскопия), так и в рассеянии света (Раман-спектроскопия). Каждая молекула демонстрирует уникальный и специфичный спектр-отпечаток в каждой из методик, что позволяет идентифицировать и количественно определять молекулярное соединение. Для сложного образца, такого как человеческие клетки или ткани, наблюдаемые ИК- или Раман-спектры представляют собой суперпозицию спектров всех индивидуальных биохимических компонентов. Современные математические методы анализа данных и компьютерные алгоритмы способны декодировать эти сложные спектральные сигнатуры, что позволяет спектральным методам выйти на арену основной диагностики.

Авторы сообщают о ряде интригующих результатов, например, о том, как можно идентифицировать метастазы в лимфатических узлах и ткани мозга и определять первичную опухоль. С помощью колебательной спектроскопии можно отследить источник активации лимфоцитов и различить разные типы рака, такие как плоскоклеточная карцинома и аденокарцинома, без использования морфологической информации. Кроме того, метод позволяет обнаруживать аномалии слизистой оболочки полости рта и шейки матки на ранней стадии, что полезно для скрининговых исследований. Чрезвычайно перспективным для обнаружения циркулирующих опухолевых клеток является тот факт, что разные типы клеток можно различать на уровне единичной клетки.

Авторы также обсуждают, что необходимо сделать для внедрения подходов колебательной спектроскопии в клиническую диагностику, и дают прогноз. Например, необходимы надёжные модели на основе ретроспективных исследований для улучшения диагностики и прогноза новых случаев; также требуется дальнейшее ускорение сбора данных Раман-визуализации. Специализированные Раман-волоконно-оптические зонды для применения в реальном времени in vivo могли бы даже позволить проводить оптические биопсии до и без хирургического вмешательства.