Tin Tức

Ứng dụng phổ và hình ảnh Raman trong phân tích sinh học

Posted on by Minh Khang
raman

Hình ảnh phổ Raman là gì?

Hình ảnh Raman là một kỹ thuật quang học có thể cung cấp nhanh chóng thông tin về thành phần hóa học và cấu trúc của mẫu sinh học. Đây là phương pháp không xâm lấn và có độ phân giải không gian cao, cho phép bạn nghiên cứu các hệ sinh học một cách chi tiết. Thông tin thu được có thể mang tính định tính (nhận diện các thành phần sinh hóa) và định lượng (xác định hàm lượng của từng thành phần), khiến kỹ thuật này trở thành một công cụ mạnh mẽ trong các nghiên cứu sinh học.

Hệ thống Raman chiếu laser lên mẫu và phân tích ánh sáng tán xạ. Quang phổ thu được sẽ là đặc trưng riêng của từng chất hóa học. Các hệ thống Raman của Renishaw còn có thể quét mẫu dưới tia laser để tạo ra hình ảnh 2D và 3D từ nhiều điểm khác nhau, từ đó thể hiện sự phân bố và nồng độ của các phân tử sinh học trong mẫu.

Lợi ích của hình ảnh Raman

Những lợi ích của hình ảnh phổ Raman trong nghiên cứu vật liệu sinh học bao gồm:

  • Phân tích mang tính khách quan: Dựa trực tiếp trên cấu trúc phân tử, không phụ thuộc vào các phương pháp suy diễn như gắn thẻ (tag) hay chỉ thị huỳnh quang.
  • Không cần gắn nhãn, nhuộm màu hay sử dụng chất tương phản, giúp tiết kiệm thời gian và tránh làm biến đổi mẫu.
  • Không phá hủy và không xâm lấn, cho phép thực hiện các phương pháp phân tích sinh học khác sau đó trên cùng mẫu.
  • Có thể áp dụng trong cả nghiên cứu in vivo (trong cơ thể sống) và ex vivo (mẫu ngoài cơ thể).
  • Phân tích nhanh: Một phổ riêng lẻ có thể được thu chỉ trong vài giây.
  • Mỗi điểm phân tích trên mẫu đều chứa lượng thông tin sinh hóa phong phú.
  • Cung cấp thông tin không gian ở cấp độ micromet, cho phép phân tích ranh giới khối u và đánh giá cấu trúc mô chi tiết.

Tất cả các phân tử nằm trong vùng chiếu của tia laser đều góp phần vào phổ Raman. Những phân tử này thường bao gồm các protein cấu trúc và chuyển hóa, acid nucleic, nhiều loại phospholipid khác nhau, carbohydrate, và các phân tử nhỏ khác. Tuy nhiên, bạn có thể sử dụng phần mềm để xử lý phổ Raman trên máy tính, nhằm trích xuất thông tin định lượng của từng thành phần có mặt trong một hỗn hợp phức tạp.

Hệ thống Raman của Renishaw cũng có thể thu thập nhiều phổ tại các điểm khác nhau và xử lý chúng để tạo ra hình ảnh giả màu (tương tự như mẫu nhuộm màu trong mô học), hoặc sử dụng tập phổ đó làm cơ sở để xây dựng mô hình chẩn đoán nhằm dự đoán bệnh lý.

Hình ảnh Raman trong nghiên cứu và ứng dụng lâm sàng

Nghiên cứu

Hình ảnh Raman cung cấp thông tin hóa học và cấu trúc với độ phân giải không gian cao. Phương pháp này thực hiện một cách không xâm lấn và nhanh chóng (trong vòng vài giây).

Kỹ thuật này có thể thực hiện đo lường định tính các thành phần sinh hóa, đồng thời tạo ra dữ liệu định lượng một cách chính xác.

Chẩn đoán lâm sàng

Hình ảnh Raman có tiềm năng tích hợp vào các quy trình chăm sóc bệnh nhân hiện tại. Bạn có thể sử dụng thông tin hóa học và cấu trúc liên quan đến các trạng thái bệnh lý khác nhau để xây dựng các mô hình phân loại – từ đó phân tích và xác định các mẫu lâm sàng chưa rõ nguồn gốc. Thông tin này, khi được kết hợp với các dữ liệu chẩn đoán lâm sàng và phân tử khác, sẽ hỗ trợ hiệu quả cho việc lập kế hoạch điều trị bệnh nhân.

Ví dụ ứng dụng: Sinh học tế bào (tế bào học)

Quan sát tế bào sống toàn phần

Hình ảnh Raman là giải pháp lý tưởng cho nghiên cứu tế bào sống. Kỹ thuật này có thể làm rõ thành phần nội bào (dưới cấp độ bào quan) trong điều kiện sinh lý bình thường, mà không cần gắn nhãn hay nhuộm màu. Từ việc xác định thụ thể/đích tác động đến quá trình chuyển hóa thuốc trong tế bào, Raman có ứng dụng xuyên suốt quá trình phát triển thuốc, cũng như theo dõi sự hấp thu và phân bố thuốc trong tế bào. Và bởi vì tín hiệu Raman từ nước rất yếu, nên cũng có thể nghiên cứu các phân tử và tế bào trong môi trường nước một cách hiệu quả.

Vi sinh

Việc phát hiện và định danh vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong y học lâm sàng, an toàn thực phẩm và kiểm soát nhiễm khuẩn.
Đối với bệnh nhân bị nhiễm khuẩn, chẩn đoán sớm và xác định chính xác vi sinh vật gây bệnh có thể mang lại lợi ích điều trị đáng kể.

Tuy nhiên, các phương pháp nuôi cấy và xét nghiệm hiện nay mất nhiều thời gian (thường kéo dài vài ngày) và đòi hỏi quy trình thủ công phức tạp. Hình ảnh Raman mang đến một phương pháp mới – nhanh chóng và chính xác – để định danh vi khuẩn.

Tài liệu tiêu biểu về hình ảnh Raman

  1. In situ characterisation of living cells by Raman spectroscopy. Notingher, Verrier, Romanska, Bishop, Polak, Hench. Spectroscopy. 2002;16(2):43-51.
  2. In vitro biophysical, microspectroscopic and cytotoxic evaluation of metastatic and non-metastatic cancer cells in responses to anti-cancer drug. Li, Xiao, Harihar, Welch, Vargis, Zhou. Anal Methods. 2015;7(24):10162-10169.
  3. A Raman spectroscopic study of cell response to clinical doses of ionizing radiation. Harder, Matthews, Isabelle, Brolo, Lum, Jirasek. Appl Spectrosc. 2015;69(2):193-204.
  4. Influence of culture media on microbial fingerprints using raman spectroscopy. Mlynáriková, Samek, Bernatová, … Holá. Sensors (Switzerland). 2015;15(11):29635-29647.
  5. Discrimination of Bacteria Using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. Jarvis, Goodacre. Anal Chem. 2004;76(1):40-47.
  6. Investigating Microbial (Micro)colony Heterogeneity by Vibrational Spectroscopy. Choo-Smith, Maquelin, Van Vreeswijk, … Endtz. Appl Environ Microbiol. 2001;67(4):1461-1469.
  7. The subcellular distribution of small molecules: From pharmacokinetics to synthetic biology. Zheng, Tsai, Zhang, Rosania. Mol Pharm. 2011;8(5):1619-1628.
  8. Microfluidic chip for non-invasive analysis of tumor cells interaction with anti-cancer drug doxorubicin by AFM and Raman spectroscopy. Zhang, Xiao, Li, Qi, Zhou. Biomicrofluidics. 2018;12(2).

Ví dụ ứng dụng: Protein và acid nucleic (Proteomics và Genomics)

Cấu trúc định hình của protein

Hình ảnh Raman có thể được sử dụng để phân tích cả protein ở dạng tinh thể và dạng hòa tan, giúp nghiên cứu cấu trúc định hình và môi trường lân cận của chúng

Có thể khảo sát mẫu trong dung dịch nước, theo dõi những thay đổi nhỏ trong cấu trúc protein khi chúng xảy ra, đồng thời bảo toàn hoạt tính sinh học của mẫu.

Protein xuyên màng và protein bề mặt tế bào

Hình ảnh Raman cho phép nghiên cứu đặc điểm cấu trúc và chức năng của protein nằm trên hoặc trong màng tế bào. Điều này mang lại hiểu biết sâu hơn về động lực học tế bào, quá trình nội bào, cũng như các tín hiệu sống còn cho chức năng và sự tồn tại của tế bào.

Các bất thường trong tín hiệu tế bào – kể cả ở cấp độ protein màng tế bào – là nguyên nhân của nhiều bệnh lý. Hình ảnh tế bào bằng phổ Raman có thể giúp nhận diện các thay đổi sinh hóa và cấu trúc này. Đặc biệt, bạn có thể thực hiện các phân tích này trong điều kiện sinh lý bình thường, mà không cần sử dụng thuốc nhuộm hay gắn nhãn hóa học, vốn có thể ảnh hưởng đến quá trình sinh học tự nhiên.

Giải trình tự và định lượng DNA

Các xét nghiệm chẩn đoán cần định lượng acid nucleic hiện nay thường dựa trên PCR và các chất phát huỳnh quang. Tuy nhiên, hình ảnh Raman có thể cung cấp thông tin về hàm lượng DNA mà không cần gắn thuốc nhuộm. Ngoài ra, bạn cũng có thể nghiên cứu: trạng thái đóng gói của DNA, cấu trúc định hình, thành phần hóa học cũng như trình tự nucleotide của DNA và RNA.

Tài liệu tiêu biểu về hình ảnh Raman

  1. Use of surface-enhanced Raman spectroscopy for the detection of human integrins. Chowdhury, Gant, Trache, Baldwin, Meininger, Coté. J Biomed Opt. 2006;11(2):024004.
  2. Raman spectroscopy for DNA quantification in cell nucleus. Okotrub, Surovtsev, Semeshin, Omelyanchuk. Cytom Part A. 2015;87(1):68-73.
  3. Monitoring the glycosylation status of proteins using raman spectroscopy. Brewster, Ashton, Goodacre. Anal Chem. 2011;83(15):6074-6081.
  4. Investigation into the protein composition of human tear fluid using centrifugal filters and drop coating deposition Raman spectroscopy. Filik, Stone. J Raman Spectrosc. 2009;40(2):218-224.
  5. Detecting chemically modified DNA bases using surfaceenhanced raman spectroscopy. Barhoumi, Halas. J Phys Chem Lett. 2011;2(24):3118-3123.
  6. Characterisation of DNA methylation status using spectroscopy (mid-IR versus Raman) with multivariate analysis. Kelly, Najand, Martin. J Biophotonics. 2011;4(5):345-354.

Ví dụ ứng dụng: Chẩn đoán mô và dịch sinh học – Giải phẫu bệnh học

Với hình ảnh phổ Raman, bạn có thể đánh giá chức năng tế bào và mô ở cấp độ sinh hóa một cách không phá hủy, không cần gắn nhãn hay sử dụng thuốc nhuộm.

Cộng đồng nghiên cứu đã thực hiện nhiều nghiên cứu lâm sàng và xác nhận rằng phổ Raman có thể phân biệt mô bệnh và mô lành, đồng thời chẩn đoán mức độ ác tính của ung thư cũng như phân loại bệnh lý. Các kết quả này đã được chứng minh trên nhiều loại mô, bao gồm: não, thực quản, đại tràng, vú và tuyến tiền liệt.

Những nghiên cứu này được thực hiện trên cả mẫu sinh thiết nguyên khối và mẫu mô gắn trên lam kính, cho thấy tính linh hoạt cao trong loại mẫu phân tích.

Hiện nay, các chương trình tầm soát bệnh lý chủ yếu vẫn phụ thuộc vào các thủ thuật xâm lấn, thường yêu cầu lấy mô qua phẫu thuật và có thể gây ra ảnh hưởng nhất định đến bệnh nhân. Một hướng tiếp cận ít xâm lấn hơn là sử dụng các dịch sinh học – chẳng hạn như máu, nước tiểu, dịch não tủy (CSF) hoặc nước bọt – để sàng lọc. Các nhà nghiên cứu đã cho thấy rằng phổ Raman là một kỹ thuật đầy hứa hẹn trong chẩn đoán bệnh thông qua phân tích dịch sinh học.

Tài liệu tiêu biểu về hình ảnh Raman

  1. Raman Spectroscopy to Diagnose Alzheimer’s Disease and Dementia with Lewy Bodies in Blood. Paraskevaidi, Morais, Halliwell, … Martin. ACS Chem Neurosci. 2018;9(11):2786-2794.
  2. Raman spectroscopy for medical diagnostics – From in-vitro biofluid assays to in-vivo cancer detection. Kong, Kendall, Stone, Notingher. Adv Drug Deliv Rev. 2015;89:121-134.
  3. Raman spectroscopy analysis of the biochemical characteristics of molecules associated with the malignant transformation of gastric mucosa. Chen, Dai, Zhou, Liu, Zhang, Peng. PLoS One. 2014;9(4).
  4. Potential of non-invasive esophagus cancer detection based on urine surface-enhanced Raman spectroscopy. Huang, Wang, Chen, … Chen. Laser Phys Lett. 2014;11(11).
  5. Identification of regions of normal grey matter and white matter from pathologic glioblastoma and necrosis in frozen sections using Raman imaging. Kast, Auner, Yurgelevic, … Kalkanis. J Neurooncol. 2015;125(2):287-295.
  6. Discriminant analysis of Raman spectra for body fluid identification for forensic purposes. Sikirzhytski, Virkler, Lednev. Sensors. 2010;10(4):2869-2884.
  7. Developing and understanding biofluid vibrational spectroscopy: A critical review. Baker, Hussain, Lovergne, … Sockalingum. Chem Soc Rev. 2016;45(7):1803-1818.

Ví dụ ứng dụng: Xương, răng và sụn

Tình trạng và chất lượng của mô xương người phụ thuộc chặt chẽ vào thành phần hóa học của nó. Để nghiên cứu quá trình hình thành xương, lão hóa, bệnh lý, vi cấu trúc và sự thay đổi chức năng cơ học, bạn cần có thông tin chi tiết về thành phần hóa học. Tỷ lệ giữa khoáng chất và nền hữu cơ là chỉ số phản ánh hàm lượng khoáng – và có thể được xác định bằng hình ảnh Raman.

Tính kết tinh của khoáng chất liên quan đến mức độ trưởng thành của khoáng. Điều này ảnh hưởng đến kích thước tinh thể, mức độ kết tinh và sự thay thế ion trong mạng lưới tinh thể apatit của xương. Các đặc trưng Raman của carbonate và phosphate cung cấp thông tin về độ kết tinh khoáng – đây là yếu tố quan trọng liên quan đến sự khởi phát và lan rộng của gãy xương, cũng như ảnh hưởng của căng kéo và áp lực nén.

Các nhà nghiên cứu cũng đã sử dụng hình ảnh Raman để nghiên cứu viêm xương khớp (osteoarthritis). Bạn có thể khảo sát quá trình khoáng hóa xương, các túi nang trong chất nền sụn, và thay đổi thành phần sụn thông qua sự thay đổi trong phổ Raman. Hình ảnh Raman cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu mô răng. Kỹ thuật này có khả năng phân tích thành phần ngà và men răng trong mô tự nhiên, cũng như pha khoáng trong các vật liệu tổng hợp. Các nghiên cứu trên răng khỏe mạnh và răng bị sâu đã cho thấy những khác biệt rõ rệt, phản ánh sự thay đổi do quá trình mất khoáng gây ra.

Một số ví dụ về ứng dụng của hình ảnh Raman trong sức khỏe răng miệng và các bệnh lý mô cứng vùng miệng bao gồm: Sâu răng (dental caries), Viêm nha chu (periodontitis), Men răng bất toàn (amelogenesis imperfecta), Ngà răng bất toàn (dentinogenesis imperfecta), Nhiễm fluor (fluorosis). Raman cũng đã được sử dụng để xác định hệ vi sinh vật khoang miệng, vốn có thể ảnh hưởng đến vệ sinh răng miệng và sức khỏe tổng thể.

Tài liệu tiêu biểu về hình ảnh Raman

  1. Raman Spectroscopy of Bone and Cartilage. Morris. In: Emerging Raman Applications and Techniques in Biomedical and Pharmaceutical Fields. ; 2010:347-364.
  2. Raman assessment of bone quality. Morris, Mandair. In: Clinical Orthopaedics and Related Research. Vol 469. ; 2011:2160-2169.
  3. Micrometer-Sized Magnesium Whitlockite Crystals in Micropetrosis of Bisphosphonate-Exposed Human Alveolar Bone. Shah, Lee, Tedesco, … Palmquist. Nano Lett. 2017;17(10):6210-6216.
  4. Evaluation of degenerative changes in articular cartilage of osteoarthritis by Raman spectroscopy. Oshima, Kiyomatsu, Miura, Ishimaru, Hino. In: Farkas, Nicolau, Leif, eds. Imaging, Manipulation, and Analysis of Biomolecules, Cells, and Tissues XVI. Vol 10497. SPIE; 2018:45.
  5. Detailed Analysis of the Structural Changes of Bone Matrix during the Demineralization Process Using Raman Spectroscopy. Timchenko, Zherdeva, Timchenko, Volova, Ponomareva. In: Physics Procedia. Vol 73. ; 2015:221-227.
  6. Contributions of Raman spectroscopy to the understanding of bone strength. Mandair, Morris. Bonekey Rep. 2015;4.
  7. Applications of Raman spectroscopy in dentistry: Analysis of tooth structure. Ramakrishnaiah, Rehman, Basavarajappa, … Rehman. Appl Spectrosc Rev. 2015;50(4):332-350. 8. Analysis of tooth tissues using Raman spectroscopy. Timchenko, Timchenko, Volova, Rosenbaum, Kulabukhova. J Phys Conf Ser. 2016;769(1):012047

Vì sao nên chọn Renishaw?

Renishaw là công ty hàng đầu thế giới trong lĩnh vực thiết bị hình ảnh Raman, với hơn 25 năm kinh nghiệm cung cấp hệ thống Raman cho khách hàng trên toàn cầu. Công ty sở hữu một mạng lưới chuyên gia khoa học và kỹ sư trên toàn thế giới, sẵn sàng hỗ trợ kỹ thuật và sản phẩm chuyên sâu. Renishaw có kinh nghiệm vững chắc trong thiết kế và phát triển hệ thống Raman, mang đến các giải pháp với hiệu suất vượt trội. Hệ thống của Renishaw có thể tạo ra bước đột phá trong nghiên cứu sinh học cũng như trong phát hiện và phát triển tương tác giữa tế bào và thuốc.

Sản phẩm của Renishaw

Hệ thống Raman của Renishaw kết hợp hiệu suất hàng đầu với tốc độ xử lý siêu nhanh. Người dùng có thể tạo ra những hình ảnh hóa học giàu thông tin, hiển thị thành phần và sự phân bố của các hợp chất sinh hóa một cách chi tiết đến từng cấu trúc nhỏ.

Kết hợp với phần mềm mạnh mẽ của Renishaw, hệ thống cho phép: Phân tích đa dạng mẫu sinh học, thu được kết quả định tính và định lượng đáng tin cậy.

Máy phân tích sinh học RA816

Hệ thống này được thiết kế chuyên biệt cho chẩn đoán và phân tích mô cùng với dịch sinh học. RA816 được tối ưu hóa cho các phân tích mô thường quy, nơi tốc độ, khả năng tự động hóa và sự dễ sử dụng là những yếu tố quan trọng. Thiết bị đặc biệt phù hợp với các phòng xét nghiệm giải phẫu bệnh, nơi cần phân tích nhanh nhiều mẫu mô cùng lúc.

Kính hiển vi Raman đồng tiêu inVia™

inVia của Renishaw là kính hiển vi Raman cấp nghiên cứu với khả năng cấu hình linh hoạt vượt trội. Thiết bị được các nhà khoa học trên toàn thế giới tin dùng nhờ khả năng thích ứng cao với nhiều mục đích nghiên cứu khác nhau. inVia có thể được nâng cấp, điều chỉnh và tùy biến theo nhu cầu sử dụng mà vẫn đảm bảo hiệu suất tối ưu. Người dùng có thể bổ sung các phụ kiện, nguồn laser, đầu dò sợi quang, hoặc kết hợp với các kỹ thuật phân tích khác. Dù lựa chọn cấu hình nào, inVia vẫn là một trong những kính hiển vi Raman linh hoạt và nhạy nhất hiện nay.

Nguồn: https://info.renishaw.com/rs/822-DNR-415/images/BR015_EN_-01-A_Brochure_Biological_analysis_using_Raman_spectroscopy_and_imaging.pdf

Minh Khang là nhà nhập khẩu và phân phối trực tiếp các thiết bị quang phổ Raman đến từ hãng Renishaw.