Redakcja: Czym jest zapalenie opon mózgowych?

Dr Agnieszka Kamińska: Zapalenie opon mózgowych to bardzo poważna choroba, wymagająca zazwyczaj hospitalizacji. Ma ona podłoże wirusowe, ale najczęściej bakteryjne. Wywołują ją głównie trzy rodzaje bakterii: Neisseria, Staphylococcus i Haemophilus. My w Instytucie Chemii Fizycznej opracowaliśmy metodę detekcji tychże bakterii z płynu mózgowo-rdzeniowego.

 

Jaką rolę w wypracowaniu metody identyfikacji bakterii wywołujących zapalenie opon mózgowych odegrała technika spektroskopii ramanowskiej?

Metodę detekcji i identyfikacji bakterii chorobotwórczych, wywołujących zapalenie opon mózgowych wypracowaliśmy właśnie bazując na technice ramanowskiej. Spektroskopia ramanowska nie jest techniką odkrytą przez nas. To metoda teoretycznie przewidziana najpierw w latach 20. ubiegłego wieku, a eksperymentalnie potwierdzona w latach 30. przez hinduskiego fizyka Chandrasekharę Venkatę Ramana, stąd też nazwa techniki. Spektroskopia ramanowska polega na nieelastycznym rozproszeniu fotonów na molekułach. Jest to technika o bardzo niskiej czułości, ponieważ tylko jeden na milion z wiązki padających fotonów ulega nieelastycznemu rozproszeniu. Do lat 70. była ona właściwie aplikacyjnie i analitycznie rzadko wykorzystywana. Dopiero rozwój nanotechnologii, detektorów, elektroniki, ale przede wszystkim odkrycie w latach 70. zjawiska powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii ramanowskiej doprowadziło do ogromnego wzrostu zastosowań techniki Ramana bardzo szeroko. Począwszy od sztuki i ochrony środowiska przez medycynę po coraz częstsze wykorzystywanie w innych obszarach.

Na czym polega technika powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii Ramana? Otóż, kiedy badane molekuły absorbują się, umieszczane są na metalach o określonych własnościach dialektycznych i odpowiedniej nanometrowej chropowatości, takich jak złoto, srebro czy miedź. Zaobserwowano wówczas ogromny wzrost intensywności promieniowania rozpraszanego, obecnie wręcz o kilka rzędów wielkości, z możliwością detekcji pojedynczych molekuł. Jeżeli więc chodzi o czułość, to właściwie wszystko w tej metodzie jest już zrobione, dzięku czemu możemy wykrywać pojedyncze molekuły. Oczywiście istnieje wiele mechanizmów tłumaczących tak ogromny wzrost intensywności promieniowania rozpraszanego. Są to przykładowo mechanizmy chemiczne, kiedy molekuły łączą się poprzez wiązania z metalami o których mówiłam, czy też mechanizmy elektromagnetyczne związane właśnie z tym, że w pobliżu tych metali tworzą się dodatkowe silne pola elektromagnetyczne. Te zaś przekładają się na wzrost intensywności promieniowania rozpraszanego.

Przez lata była opracowywana także cała gama innych mechanizmów tłumaczących zaistniały efekt silnego rozproszenia. To właściwie te dwa główne mechanizmy tłumaczą większość zachodzących zjawisk w technice SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy). My w Instytucie opracowujemy coraz nowsze możliwości aplikacyjne SERS, a obecnie pracujemy nad możliwością detekcji i identyfikacji oznaczania bakterii z płynów ustrojowych, ale także z innych próbek, żywnościowych czy środowiskowych.

 

Na czym polega nowa metoda analizy płynu mózgowo-rdzeniowego?

We współpracy z Narodowym Instytutem Leków opracowaliśmy metodę detekcji bakterii chorobotwórczych z płynu mózgowo-rdzeniowego. Kluczowym elementem naszej techniki detekcji są podłoża aktywne SERS-owsko. W naszym przypadku były to podłoża bazujące na matach polimerowych, pokryte aktywnymi SERS-owsko metalami: złotem, srebrem bądź też ich stopami. Te podłoża spełniają jednocześnie trzy zasadnicze zadania. Przede wszystkim pozwalają na filtrację płynu mózgowo-rdzeniowego. Czasami w badanej próbce obecnych jest jedynie kilka bakterii, musimy więc te bakterie znaleźć i przefiltrować. Zapewniają nam one immobilizację w określonej objętości, określonej próbce i na określonej powierzchni. Jednocześnie, z racji tego, że są pokryte metalem: srebrem bądź też złotem, zapewniają ogromny wzrost intensywności promieniowania rozproszonego. Dzięki temu jesteśmy w stanie wykrywać nawet pojedyncze bakterie. Wynika to także z samej istoty tej metody, ponieważ rozmiar bakterii wynosi około dwóch-trzech mikrometrów, choć czasem niektóre są mniejsze. Cała natomiast aparatura i idea tej techniki, czyli wiązka, która oświetla nasze podłoże i naszą bakterię ma też około dwóch mikrometrów. W związku z tym wystarczy, żeby w ognisku plamki lasera znalazła się jedna bakteria, abyśmy mogli zbierać jej obraz spektralny.

Oczywiście należałoby jeszcze zaznaczyć na czym polega unikatowość techniki. Powiedziałam tutaj o wysokiej czułości. O tym, iż jesteśmy w stanie wykryć pojedyncze molekuły. Istotna jest jeszcze natomiast wysoka selektywność. Otóż, w technice spektroskopii ramanowskiej każda molekuła i każdy związek mają swój niepowtarzalny odcisk. Charakterystyczne widmo i charakterystyczny obraz spektralny. W związku z tym jestesmy w stanie odróżnić bakterię jednego gatunku od bakterii innego. Czyli mamy przede wszystkim wysoką czułość, selektywność i co jest niezmiernie istotne w tej metodzie, skracamy czas detekcji bakterii.

W tradycyjnych metodach analizy detekcji bakterii, opartych na technikach biochemicznych czy też PCR trwa to godziny, ponieważ metody te wymagają namnożenia bakterii. W naszej metodzie, kiedy filtrujemy badany płyn mózgowo-rdzeniowy jest to właściwie 15-20 minut, ponieważ sama detekcja to pojedyncze sekundy zbierania sygnału. A więc rozchodzi się o czas, ten istotny parametr, bardzo ważny w diagnostyce bakteryjnej, ale także każdej innej. 

Oglądaj całość...