Advanced Raman techniques for real time cancer diagnostics

Ο καρκίνος είναι μια από τις μεγαλύτερες αιτίες θανάτου στις σύγχρονες κοινωνίες, επηρεάζοντας πάνω από 350.000 άτομα κάθε χρόνο στο Ηνωμένο Βασίλειο. Αν και σήμερα υπάρχουν περισσότεροι από 100 διαφορετικοί τύποι καρκίνου, ο καρκίνος του μαστού και του προστάτη παραμένουν οι πιο συνηθισμένοι τύποι στις γυναίκες και στους άνδρες αντίστοιχα. Ακολουθεί ένας αριθμός διαφορετικών τύπων καρκίνου, με τον καρκίνο της ουροδόχου κύστης να είναι ο ένατος πιο σημαντικός τύπος, που αντιπροσωπεύει το 3% του συνόλου των νέων περιπτώσεων. Οι πλέον χρησιμοποιούμενες τεχνικές στοχεύουν στη διάγνωση του καρκίνου σε πρώιμο στάδιο, όπου τα συμπτώματα αντιμετωπίζονται ευκολότερα και η ασθένεια είναι πιο πιθανό να θεραπευθεί. Επιπλέον, πολλοί από τους καρκίνους που διαγνώσκονται δεν θα επηρεάσουν έναν ασθενή κατά τη διάρκεια της ζωής του. Η τρέχουσα αντιμετώπιση για τη διάγνωση του καρκίνου είναι η βιοψία ακολουθούμενη από ιστοπαθολογία, η οποία είναι μια επεμβατική τεχνική με χαμηλή ακρίβεια. Είναι επομένως εμφανής η ανάγκη για μια νέα διαγνωστική προσέγγιση. Επιπλέον, η τρέχουσα κλινική προσέγγιση δεν είναι ικανή να εντοπίσει τους ασθενείς που διατρέχουν μεγαλύτερο κίνδυνο εξέλιξης της νόσου. Οι φασματοσκοπικές τεχνικές μοριακής δόνησης αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση, η οποία βασίζεται στην αλληλεπίδραση φωτός- ύλης. Μία από αυτές είναι η φασματοσκοπία Raman, μια τεχνική με ευρείες εφαρμογές στην έρευνα και τη βιομηχανία, η οποία έχει το πλεονέκτημα να είναι μη επεμβατική και με μεγάλη χημική εξειδίκευση. Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκαν οι δυνατότητες μιας ομάδας ελάχιστα επεμβατικών διαγνωστικών τεχνικών, βασισμένων στη σκέδαση Raman, για τον καρκίνο του προστάτη, του μαστού και της ουροδόχου κύστης. Στην περίπτωση των δύο πιο διαδεδομένων τύπων καρκίνου, του προστάτη και του καρκίνου του μαστού, η φασματοσκοπία Raman εν τω βάθει χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της προέλευσης της σκέδασης Raman (Κεφάλαια 5 και 6) σε ιστούς ζώων και ομοιώματα ιστών, τα οποία περιείχαν υλικά υψηλής διασποράς που προσομοίαζαν ύποπτα ευρήματα (ασβεστώσεις) που απαντώνται στους ιστούς. Η χωρική κατανομή του σήματος Raman στον όγκο του δείγματος μελετήθηκε σε σχέση με τις οπτικές ιδιότητες και τη σύνθεση του δείγματος, δείχνοντας ότι λίγες μετρήσεις Raman θα μπορούσαν δυνητικά να καλύψουν τον όγκο μέτρησης ενός ανθρώπινου προστάτη τυπικών διαστάσεων. Οι μετρήσεις Raman εν τω βάθει επεκτάθηκαν και σε δείγματα ζωικού και ανθρώπινου ιστού, προκειμένου να διερευνηθεί η σκοπιμότητα συλλογής σκέδασης Raman από έναν ανθρώπινο προστάτη και τα κύρια συστατικά του (Κεφάλαιο 6).Περαιτέρω βελτιώσεις στις μετρήσεις επιχειρήθηκαν με την εισαγωγή μιας φωτοδιόδου (Κεφάλαιο 7) προκειμένου να επιτευχθεί ενίσχυση σήματος. Αυτή υπολογίστηκε στην περιοχή ×1- 2.4, ανάλογα με τις οπτικές ιδιότητες του ιστού και το βάθος του στοιχείου ανίχνευσης. Η ίδια έννοια της φωτοδιόδου χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη βάθους ενός χαρακτηριστικού στοιχείου ασβεστοποίησης στον όγκο του δείγματος (Κεφάλαιο 8).Όσον αφορά στον καρκίνο της ουροδόχου κύστης, η ελάχιστα επεμβατική προσέγγιση που υιοθετήθηκε ήταν η συμβατική φασματοσκοπία Raman σε δείγματα ούρων και φασματοσκοπία Raman εν τω βάθει. Συγκεκριμένα, έγινε χρήση της μικροσκοπίας Raman για τη διάκριση των παθολογικών χαρακτηριστικών του καρκίνου της ουροδόχου κύστης. Για το λόγο αυτό, μελετήθηκαν οι πιθανές διαφορές στην κατανομή και τις αλληλεπιδράσεις της ουρίας στα ούρα από υγιείς και ασθενείς με καρκίνο της ουροδόχου κύστης. Από την ανάλυση προέκυψαν υποσχόμενες διαγνωστικές τιμές (73% ευαισθησία, 80% ακρίβεια). Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή αναμένεται να οδηγήσουν σε μια καλύτερη κατανόηση της συλλογής σημάτων σκέδασης Raman μέσω βιολογικών ιστών, η οποία θα βοηθήσει στο μελλοντικό σχεδιασμό οργάνων Raman με στόχο τη στόχευση σημάτων σχετιζόμενων με ασθένειες. Αυτή η μελέτη αναδεικνύει τη δυνατότητα μελλοντικών εφαρμογών της φασματοσκοπίας Raman και ανοίγει το δρόμο προς τη μελλοντική ενσωμάτωση της προσέγγισης στη μη επεμβατική διάγνωση του καρκίνου.