Компактная рамановская система нового поколения повышает точность выявления рака груди

Исследователи представили компактную систему рамановской визуализации, которая способна с высокой чувствительностью отличать опухолевую ткань от здоровой и открывает новые перспективы для раннего выявления рака груди. Разработка ориентирована на практическое применение за пределами лабораторий и может стать основой для портативных и интраоперационных диагностических устройств, повышающих точность и скорость онкологической диагностики.

Работа выполнена научной группой Института количественных наук о здоровье и инженерии Michigan State University и опубликована в журнале Optica. В основе технологии лежит регистрация исключительно слабых оптических сигналов, возникающих при поверхностно-усиленном рамановском рассеянии. Для этого используются специальные наночастицы SERS, которые связываются с молекулярными маркерами опухоли и усиливают характерный спектральный «отпечаток» ткани.

В отличие от традиционной морфологической диагностики, требующей окрашивания биопсийного материала и длительного анализа патологоанатомом, новая система ориентирована на быстрый молекулярный скрининг. После нанесения наночастиц система визуализации автоматически считывает их рамановский сигнал и формирует карту распределения опухолевых участков, что позволяет быстро определить зоны с высокой вероятностью злокачественных изменений.

Ключевым технологическим преимуществом стала комбинация лазера с перестраиваемой длиной волны и сверхпроводящего нанопроволочного детектора одиночных фотонов. SNSPD способен регистрировать отдельные фотоны с крайне низким уровнем шума, что делает возможным обнаружение сигналов Рамана, примерно в четыре раза более слабых, чем пределы чувствительности сопоставимых коммерческих систем. Такая архитектура позволила отказаться от громоздких камер, повысить эффективность сбора света и существенно уменьшить габариты всей установки.

Рамановская визуализация позволяет определять химический состав тканей по уникальным спектрам рассеяния света молекулами. Усиление этих сигналов с помощью SERS-наночастиц делает метод особенно перспективным для онкологии, где важно выявлять минимальные молекулярные различия между здоровыми и опухолевыми клетками. В рамках исследования была продемонстрирована фемтомолярная чувствительность при тестировании растворов наночастиц, что указывает на чрезвычайно низкий предел обнаружения.

Для биологической валидации системы учёные использовали наночастицы SERS, модифицированные гиалуроновой кислотой, которая избирательно связывается с белком CD44 — поверхностным маркером, часто экспрессируемым клетками рака груди. Эксперименты проводились на культивированных клетках, опухолях у мышей и образцах здоровых тканей. Во всех моделях сигналы SERS были чётко локализованы в опухолевых зонах, тогда как в нормальных тканях регистрировался лишь минимальный фоновый отклик.

Полученные данные подтверждают не только высокую чувствительность системы, но и её способность создавать надёжный контраст между опухолью и здоровой тканью. Важным преимуществом является гибкость подхода: замена или комбинирование целевых молекул позволяет адаптировать метод под другие биомаркеры и типы опухолей. Потенциальные области применения включают раннюю диагностику, более точное взятие биопсии, контроль краёв резекции во время операций и мониторинг прогрессирования заболевания.

В настоящее время исследователи сосредоточены на ускорении обработки данных и дальнейшем повышении скорости сканирования. Среди рассматриваемых решений — использование альтернативных лазерных источников, таких как VCSEL, сужение спектрального диапазона анализа и внедрение мультиплексных подходов, при которых несколько типов наночастиц одновременно нацелены на разные опухолевые маркеры.

В перспективе такая компактная рамановская система может стать важным инструментом персонализированной онкологии, особенно при раке груди, где раннее обнаружение и точное определение границ опухоли напрямую влияют на выбор лечения и прогноз для пациента.