Czytanie ze światła

Każdego roku diagnostyka medyczna staje się coraz lepsza dzięki rozwojowi nowych metod umożliwiających precyzyjne wykrywanie określonych związków chemicznych w płynach biologicznych w czasie przebiegu choroby. Jednak, szybka diagnostyka pozwalająca na odróżnienie choćby infekcji bakteryjnych, grzybiczych czy wirusowych jest wciąż daleka od ideału. Stąd, na całym świecie podejmowanych jest wiele wysiłków w celu udoskonalenia metod, które mogłyby umożliwić bezinwazyjną i szybką diagnostykę zakażeń o różnej etiologii. Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk prowadzący badania pod kierownictwem prof. Agnieszki Kamińskiej zaprezentowali skuteczny sposób na rozróżnienie rodzaju zakażenia w płynach biologicznych z wykorzystaniem techniki diagnostycznej powierzchniowo wzmocnionego rozpraszania Ramana. Badacze rozwikłali zawiłości w obszarze szybkiej diagnostyki płodności i chorób u kobiet. Przyjrzyjmy się bliżej ich odkryciu.

Dotychczas najczęściej stosowane metody określające płodność u kobiet bazowały na monitorowaniu śluzu z szyjki macicy. Niestety, metoda ta pozostawia wiele do życzenia i wykazuje wysoką skuteczność tylko w przypadku par płodnych. Podobnie jest w przypadku określenia infekcji dróg rodnych u kobiet, gdzie wydzielina z szyjki macicy po dziś dzień poddawana jest obrazowaniu mikroskopowemu z zabarwianiem śluzu metodą Grama. I choć podjęto wiele prób rozwiązania problemu wielu chorób dróg rodnych m.in. tj. raka szyjki macicy, zakażenia wirusem brodawczaka ludzkiego (HPV), niepłodności, a także różnych infekcji pochwy z wykorzystaniem spektroskopii Ramana, szybkie i skutecznie poznanie etiologii wielu chorób kobiecych nadal pozostaje tajemnicą.

Najnowsze wyniki zademonstrowane przez naukowców z IChF PAN wychodzą naprzeciw tym ograniczeniom skupiając się na śledzeniu odpowiedzi spektralnej płynów z kobiecego układu rozrodczego, w tym trzech rodzajów płynów, tj. płynu pochwowego, menstruacyjnego i plamienia menstruacyjnego przy użyciu powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii Ramana (SERS) i metody chemometrycznej, które razem zapewniają wgląd na poziomie molekularnym w skład wydzielin pochwowych. Ponieważ skład płynów pochwowych jest złożony, w którym można znaleźć wiele związków, takich jak kwasy organiczne, pirydynę, peptydazę, lipidy, fosfolipidy, aminokwasy, kwasy tłuszczowe, węglowodany, glikoproteiny, białka i immunoglobuliny, może on także zawierać inne związki, w tym hormony, których poziom może różnić się w zależności od fazy cyklu miesiączkowego utrudniając dokładne zdiagnozowanie infekcji na wczesnym etapie lub rozpoznanie etiologii choroby.

Niemniej jednak metody zaproponowane przez naukowców z IChF PAN pozwalają na diagnostykę w fazie płodnej i niepłodnej z dużą precyzją bez wpływu zaburzeń równowagi hormonalnej w organizmie. A wszystko dzięki pomiarom interakcji materii ze światłem, w których możliwe jest zmierzenie określonych drgań cząsteczek. Diagnostyka za pomocą prezentowanych narzędzi została przeprowadzona dla dwóch niezależnych cykli menstruacyjnych, w których pacjentki były zarówno zdrowe, jak i zmagały się z infekcjami, takimi jak kandydoza sromu i pochwy, waginoza bakteryjna, rzeżączka, a także miały obecność dwóch różnych chorób. Ponieważ naukowcy zoptymalizowali warunki analityczne do precyzyjnego pomiaru widm i wdrożyli algorytmy dostosowujące SERS do różnych biologicznych aspektów wykrywania chorób kobiecych, ich narzędzie diagnostyczne nie wymaga wstępnej obróbki pobranych próbek, ani pobierania wymazów, co czyni je znacznie prostszym i tańszym w porównaniu z klasycznymi testami diagnostycznymi.

"Zbadaliśmy spektralne zmiany hormonalne i stany zapalne pochwy oraz przeprowadziliśmy zależną od czasu analizę SERS materiału klinicznego pobranego z płynów biologicznych podczas pełnych cykli menstruacyjnych od pacjentek zmagających się z różnymi rodzajami infekcji, w tym bakteryjnych, grzybiczych, rzeżączki oraz obu infekcji naraz. Analiza widmowa została wsparta metodą regresji najmniejszych kwadratów (PLSR) w celu uzyskania dokładniejszych zmian w poszczególnych widmach, nawet drobnych różnic niewidocznych gołym okiem" – komentuje prof. Kamińska.

Oprócz korzyści ekonomicznych i łatwości prowadzenia analiz, diagnostyka SERS może być wykonywana przez cały cykl menstruacyjny, co czyni ją skutecznym narzędziem z potencjałem do diagnostyki wielu innych chorób, na które może wpływać m.in. poziom hormonów w płynach biologicznych. Badanie wykazało, że intensywność określonych hormonów (np. hormonu luteinizującego (LH), hormonu folikulotropowego (FSH), progesteronu i estradiolu), która jest ściśle skorelowana z tworzeniem i pękaniem pęcherzyków, gdy nie dochodzi do zapłodnienia, można scharakteryzować szybko i prosto za pomocą techniki SERS. Dzięki połączeniu SERS oraz PLSR zaburzenia hormonalne nie wpływają na odczyt sygnału pochodzącego od infekcji, co stanowi krok naprzód w diagnostyce medycznej.

"Nasze badania pokazują, że infekcje pochwy prowadzą do bardziej znaczącego efektu spektralnego niż cykl menstruacyjny. Infekcję można rozpoznać za pomocą analizy SERS zależnej od czasu poprzez obecność charakterystycznych parametrów, które zapewniają wgląd spektralny we wzór molekularny płynów nawet w bardzo złożonych płynach biologicznych". - zauważa pierwsza autorka Sylwia M. Berus.

Przedstawione wyniki podstawę do dalszych badań, które obejmą szczegółową analizę SERS czynników etiologicznych w odniesieniu do diagnostyki infekcji pochwy. Co więcej, proponowana technika jest potężnym i obiecującym narzędziem do szybkiej i nieinwazyjnej analizy w innych dziedzinach m.in. w kryminalistyce. Praca naukowców z IChF PAN została opublikowana w Sensors and Actuators B: Chemical (https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135571) i została sfinansowana przez Narodowe Centrum Nauki w ramach grantu PRELUDIUM-20 (2021/41/N/ST4/02164).

KONTAKTY:

Prof. Agnieszka Kamińska
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Telefon: +48 22 343 33 12
e-mail: akaminska@ichf.edu.pl

ARTYKUŁY NAUKOWE:

“Surface-enhanced Raman spectroscopy analysis of menstrual cycle: From biochemical changes to diagnostics of vaginal infections”
Sylwia M. Berus, Beata Młynarczyk-Bonikowska, Grażyna Przedpełska, Tomasz Szymborski, Agnieszka Kamińska
Sensors and Actuators B: Chemical. 2024, 409,135571
https://doi.org/10.1016/j.snb.2024.135571