Metoda spektroskopii Ramana w badaniach materiałów

Tomasz Buchwald
Politechnika Poznańska, Wydział Fizyki Technicznej
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych
za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Metoda spektroskopii Ramana w badaniach materiałów
biologicznych na przykładzie ludzkiej tkanki kostnej
Choroba zwyrodnieniowa stawów (osteoartroza) do niedawna uważana była za objaw
starzenia się organizmu i prostego „zużycia” się chrząstki stawowej. Jednak od kilku lat jest
ona przedmiotem coraz większego zainteresowania naukowców i lekarzy, ponieważ dotyczy
także młodych dorosłych, a nawet młodzieży. Ze względu na zwiększanie się liczby chorych,
głównie z powodu przeciążeń spowodowanych otyłością oraz prowadzenia mało aktywnego
trybu życia, osteoartroza została uznana przez Światową Organizację Zdrowia za chorobę
cywilizacyjną. Z danych Wielkopolskiego Oddziału Wojewódzkiego Narodowego Funduszu
Zdrowia w Poznaniu wynika, iż liczba pacjentów w Wielkopolsce, u których rozpoznano
chorobę zwyrodnieniową stawu biodrowego wzrosła od 2005 roku o ponad 2000 osób, przy
całkowitej liczbie chorujących 13832 w 2010. Zaobserwowano różnicę w liczbie chorych
w zależności od płci. Kobiety są znacznie bardziej narażone na osteoartrozę niż mężczyźni.
Ponadto liczba chorujących znacznie wzrasta po czterdziestym roku życia. Powyższe
czynniki wskazują, iż warto bliżej przyjrzeć się przyczynom występowania tej choroby.
W kolejnych latach nie przewiduje się poprawy tych statystyk. Społeczeństwo polskie
starzeje się, wzrasta liczba cierpiących na otyłość. Takie perspektywy na przyszłość
wymuszają na nas podjęcie działań, które pozwolą zmniejszyć lub przynajmniej utrzymać na
tym samym poziomie liczbę chorujących na osteoartrozę. W tym celu projekt badawczy
zakładał zastosowanie metody optycznej – mikrospektroskopii Ramana, która pozwoli na
dokonanie postępu w przewidywaniu progresji choroby oraz jej diagnozowaniu. Projekt
obejmował badania tkanki kostnej pochodzącej od pacjentów leczonych na oddziałach
ortopedycznych wielkopolskich szpitali. W celu przeprowadzenia badań podjęto współpracę
z lekarzami Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu, z lekarzami pracującymi w poznańskich
szpitalach. W celu realizacji projektu, badania tkanki kostnej przeprowadzone były przy
współpracy czterech ośrodków akademickich miasta Poznania.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Badania tkanki kostnej głowy kości udowej miały na celu określenie przyczyn
występowania choroby zwyrodnieniowej stawu biodrowego, a także sprawdzenie możliwości
wykrywania tej choroby z zastosowaniem mikrospektroskopu Ramana. Grupę badaną
stanowili pacjenci, u których została rozpoznana osteoartroza oraz takich, u których nastąpiło
wysokoenergetyczne
złamanie
szyjki
górnej
nasady
kości
udowej.
Badania
z wykorzystaniem metody mikrospektroskopii Ramana wykonywane były w Katedrze
Spektroskopii Optycznej
na Wydziale Fizyki Technicznej
Politechniki Poznańskiej.
Na początkowym etapie badań przedstawiono możliwości wykorzystania spektroskopii
Ramana do analizy składu i struktury tkanki kostnej głowy kości udowej na poziomie
mikrostrukturalnym. W kolejnym etapie badań określono orientację włókien kolagenowych
w tkance kostnej gąbczastej poprzez zastosowanie przekształceń map widm rozpraszania
Ramana w celu zniwelowania wpływu składu chemicznego na ich obraz. Uzyskane wyniki
i doświadczenie
badawcze
pozwoliły
rozpocząć
badania,
w
których
zastosowano
spektroskopię Ramana w celu określenia składu i struktury tkanki kostnej osób
z osteoartrozą. Porównano zmiany w składzie chemicznym tkanki kostnej gąbczastej i zbitej
głowy kości udowej pacjentów zdrowych, u których brak było klinicznych i radiologicznych
objawów choroby zwyrodnieniowej stawu biodrowego oraz pacjentów z rozpoznaniem tej
choroby. W kolejnej części badań przyporządkowano określonemu nasileniu choroby
zwyrodnieniowej stawów biodrowych zmiany ilości i jakości składników chemicznych na
powierzchni tkanki kostnej podchrzęstnej oraz gąbczastej znajdującej się bezpośrednio pod
tą pierwszą. Analiza wyników pozwoliła m.in. wysunąć wniosek, iż choroba nie wpływa na
zmiany w tkance kostnej gąbczastej znajdującej się pod warstwą podchrzęstną kości.
Badania wykonywane w ramach rozprawy doktorskiej umożliwią dokonania postępu
w diagnozowaniu i przewidywaniu progresji tej choroby poprzez lepsze zrozumienie jej istoty
i rozwój metod diagnostycznych. Możliwość wcześniejszego wykrycia choroby pozwoli na
wcześniejsze wdrażanie terapii opóźniającej proces chorobowy. Projekt naukowy umożliwi
w dużym
stopniu
praktyczne
zastosowanie
spektroskopu
Ramana
jako
narzędzia
diagnostycznego osteoartrozy. Wyniki badań uzyskane w trakcie realizacji projektu zostały
opublikowane w trzech renomowanych czasopismach o zasięgu światowym:
Determination of composition and structure of spongy bone tissue in human head of femur
by Raman spectral mapping, J. Mater. Sci.: Mater. Med. 22(7), 1653–1661 (2011),
Determination of collagen fibers arrangement in bone tissue by using transformations of
Raman spectra maps, Spectros. Int. J. 27(2), 107–117 (2012),
Identifying compositional and structural changes in spongy and subchondral bone from
the hip joints of patients with osteoarthritis using Raman spectroscopy, J. Biomed. Opt.
17(1), 017007 (2012).
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego