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STM封面:定位亚细胞!拉曼光谱首次被开发为实时监测临床设备

2017/09/26 来源:生物探索
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导读
9月20日STM杂志封面文章报道美国科学家开发了一个新的设备,能够实时评估身体组织是否获得足够的氧,可以用来预测危重心脏病患者的心脏骤停。这是拉曼光谱首次被开发为实时监测的临床医疗设备。业内认为,有着重要的里程碑意义。


将探头放置在手术中或手术后的心脏上,可以预测危重心脏病患者的心脏骤停——这是美国波士顿儿童医院和Pendar技术设备制造商的研究人员合作开发的一个新设备,它运用了拉曼光谱技术,能够实时评估身体组织是否获得足够的氧。

9月20日,Science Translational Medicine杂志的封面文章刊登了这一研究成果,并认为,虽然研究是在动物模型上进行的,但有着重要的里程碑意义。

具有里程碑意义

几乎所有人都知道,对于危重心脏病患者,一旦心脏骤停发生,即使病人康复,其不良后果也是终身的。

但由于无法做到实时评估身体组织是否获得足够的氧,之前的技术还不能有效预测一个病人的心脏会停止。目前对组织氧测量的标准,被称为混合静脉血氧饱和度(SvO2),需要反复抽血,额外增加危重病人的风险。更重要的是,无法判断氧气供应是否满足心脏肌肉的动态需求。

主持这项研究的波士顿儿童医院心脏中心医学博士JohnKheir介绍,这个新开发的设备使用了共振拉曼光谱的技术,来测量是否有足够的氧气到达心脏的线粒体。这个装置能够提供与线粒体供氧相关器官特异性的、连续的、可靠的读数。这是第一个能够监测活体组织中的线粒体,以预测即将发生的器官衰竭的装置。

这也是拉曼光谱首次被开发为实时监测的临床医疗设备

作为一种无损、非接触的快速检测技术,虽然拉曼光谱在医疗诊断上的应用与研究,已经在癌病变组织检测与诊断、血液成分分析、动脉硬化检测等领域进行了。此外,之前在医疗诊断上的应用是通过分析识别组织内蛋白、核酸、血脂相关的拉曼光谱峰差异实现的,而这次的应用着眼于更细微的电子积累引起的光谱位移和峰值变化,并准确地捕捉了亚细胞结构的信号

用光监测线粒体

在这项研究中,研究团队创建了一个他们叫3RMR的度量方法,使用共振拉曼光谱的光读数来产生实时氧含量和线粒体功能量化的指标。

当细胞的氧含量过低时,其能量平衡发生变化。电子开始在某些细胞蛋白(比如血红蛋白、肌红蛋白和线粒体细胞色素)中积累。这种能量转移会减少或关闭线粒体能量的产生,也可能引发细胞死亡。结果就是器官损伤或功能障碍,在最坏的情况下,心脏骤停。

共振拉曼光谱可以通过激光照射时光如何发生散射,来量化线粒体蛋白质的电子部分。在低氧条件下,电子的增加会使这些分子发生扭曲,改变它们的光谱

研究小组还使用了精确的激光和复杂的算法来实时提取信息。据介绍高速、准确地将线粒体信号从其它生物信号中识别出来,是这篇文章最重要的科学进展。


线粒体细胞色素、肌红蛋白和血红蛋白在氧合和脱氧状况下拉曼光谱出现的位移和峰值变化 图片来自文献1

 

预测心脏骤停

研究人员先在大鼠模型中测试了该装置。他们发现不管氧递送减少的原因是什么,减少心脏的氧含量后,3RMR就会相应增加。低氧状态10分钟后进行测量,读数增加超过40%。他们开发的设备在预测心脏收缩力和随后的心搏停止上,有97%的特异性和100%的敏感性,优于所有其它测量技术

研究小组之后在模拟先天性心脏手术的猪模型中进一步测试了该装置。他们能够测量心肌供氧的满意程度,这是之前的设备无法做到的。

该装置最先可能的应用是心脏手术期间及术后的氧输送监测。目前的探针是一支钢笔大小,但最终,该小组希望开发一个更小的探头,可以放在胸腔内,这样可以对高危时期的病人进行监护。

未来其它应用方向

事实上,这是第一种能够实时地评估在线粒体水平上,是否输送足够的氧气到组织的技术。研究人员认为会有许多外科用途。他们相信该技术还可以在其它组织和器官暴露的操作中,进行对组织活力的监测。潜在的应用可能包括器官移植时的监测和检测四肢血液流动的减少

Kheir博士还认为,该工具可以在癌症研究方面有所帮助,因为线粒体功能是癌症生物学的中心。

该小组的目标是开发出FDA批准和商业化的线粒体氧合临床监测仪。在此期间,Kheir博士和同事计划寻求批准试验装置来监测心脏病患者。

参考资料

1) Responsive monitoring of mitochondrial redox states in heart muscle predicts impending cardiac arrest

2) Laser device placed on the heart identifies insufficient oxygenation better than other measures

3) Raman spectroscopy for medical diagnostics — From in-vitro biofluid assays to in-vivo cancer detection

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