Detecția cancerului cu sensibilitate femtomolară prin spectroscopie Raman cu sursă acordabilă și detector superconductiv

Un studiu realizat la Michigan State University și publicat în Optica la data de 18 decembrie 2025 a prezentat o nouă platformă de imagistică moleculară care combină spectroscopia Raman cu sursă reglabilă și nanoparticule de tip surface-enhanced Raman scattering, integrând un detector supraconductor de fotoni unici. Cercetarea arată că această abordare permite detecția extrem de sensibilă a cancerului, la concentrații femtomolare, în condiții experimentale compatibile cu aplicații biologice reale.

Context

Creșterea estimată cu 77% a numărului de cazuri noi de cancer până în 2050, raportată de GLOBOCAN, subliniază necesitatea urgentă a unor metode de diagnostic mai rapide și mai precise. Tehnicile tradiționale, precum analiza histopatologică pe lame hematoxilin-eozină, sunt laborioase și consumatoare de timp, limitând capacitatea de răspuns clinic.

Spectroscopia Raman este cunoscută pentru capacitatea sa de a furniza o amprentă moleculară specifică țesuturilor biologice, însă utilizarea clinică a fost restricționată de semnalul Raman intrinsec slab, care impune puteri laser mari și timpi de expunere îndelungați. Dezvoltarea tehnicii surface-enhanced Raman scattering a permis amplificarea semnalului prin utilizarea nanostructurilor metalice, reducând semnificativ limitele de detecție și deschizând calea către diagnosticul molecular țintit.

În paralel, arhitectura clasică a spectroscopiei Raman dispersive prezintă limitări legate de eficiența colectării luminii, interferența fluorescenței și dimensiunea sistemelor optice. Ca alternativă, spectroscopia Raman cu sursă reglabilă a fost propusă pentru a îmbunătăți eficiența și a facilita miniaturizarea, însă până în prezent nu fusese combinată cu detectoare de ultrasensibilitate și nici validată sistematic în experimente imagistice cu nanoparticule SERS.

Despre studiul actual

Autorii au dezvoltat un sistem inovator denumit spectroscopie Raman cu sursă reglabilă bazată pe detector supraconductor de fotoni unici, care integrează un detector supraconductor cu fir nanometric, cuplat prin fibră optică. Acest tip de detector se remarcă prin eficiență de detecție ridicată și zgomot de fond extrem de redus, fiind capabil să înregistreze semnale Raman extrem de slabe.

Platforma experimentală utilizează un laser reglabil în intervalul 765–781 nanometri, cu o putere de excitație de doar 30 miliwați și un timp de expunere de 40 milisecunde per punct spectral. Semnalul Raman este filtrat printr-un filtru long-pass și un filtru band-pass ultra-îngust, fiind apoi colectat de detectorul supraconductor, care atinge o eficiență de detecție de aproximativ 55% pentru fotoni nepolarizați, cu posibilitatea de optimizare până la 90%.

Pentru validare, au fost utilizate nanoparticule SERS de tip S440, ulterior încapsulate în liposomi și funcționalizate cu hialuronan, pentru a ținti receptorul CD44, cunoscut ca fiind supraexprimat în celulele tumorale mamare. Studiul a inclus atât experimente de caracterizare fizică, cât și aplicații biologice pe culturi celulare și pe țesut tumoral murin.

Rezultate

Sistemul a demonstrat o limită de detecție de aproximativ 62,5 femtomolari pentru nanoparticulele S440, semnificativ mai bună decât cea obținută cu un spectrometru Raman comercial, care a fost limitat la 250 femtomolari în condiții identice de putere laser și timp de expunere. Intensitatea semnalului Raman a prezentat o corelație liniară clară cu concentrația nanoparticulelor, confirmând capacitatea de cuantificare precisă la niveluri foarte scăzute de semnal.

Din punct de vedere imagistic, sistemul a reușit să reconstruiască fidel spectrul Raman, inclusiv vârfuri de intensitate redusă, atunci când pasul de reglare spectrală a fost suficient de fin. În experimentele pe celule 4T1 de cancer mamar, semnalul SERS a fost localizat specific la nivel celular, cu un raport semnal-zgomot ridicat, demonstrând eficiența țintirii moleculare.

Aplicarea pe țesut tumoral murin a evidențiat o diferențiere clară între țesutul tumoral și țesutul cardiac de control. Hărțile de intensitate Raman au corespuns îndeaproape cu rezultatele histologice și imunohistochimice pentru CD44, confirmând specificitatea și acuratețea metodei. Zonele tumorale au prezentat semnal Raman intens, în timp ce țesuturile sănătoase au generat doar semnale slabe, de fond.

În ansamblu, rezultatele demonstrează că această platformă combină sensibilitatea extremă, viteza de achiziție și specificitatea moleculară, oferind perspective reale pentru imagistica oncologică de înaltă precizie și pentru detecția precoce a cancerului. Autorii subliniază potențialul de extindere către detecție multiplexată și adaptarea pentru aplicații in vivo, prin optimizări viitoare ale sursei laser și ale filtrării spectrale.