Development of SERS based methods for early cancer detection

Abstract

Yüzeyde zenginleştirilmiş Raman saçılmasının (YZRS), kanserli ve sağlıklı dokuyu birbirinden ayırabilmesi sebebiyle erken kanser teşhisi için uygulanabilirliği, üç farklı örnekleme stratejisi geliştirerek sistematik bir şekilde keşfedildi. `Cryosectioned-PDMS` isimli ilk yaklaşımda, 16 X kat konsantre edilmiş kolloidal gümüş nanoparçacık (GNP) içeren solüsyondan 20-µl hacimce, PDMS ile kaplanmış bir cam slaytta üzerinde yer alan 5 µm kalınlığındaki cryostat doku kesitinin üzerine eklenir. Sonra, kolloidal suspansiyon, damla yüzeyinde optimal bir GNP dağılımı elde edebilmek için, asılı pozisyonda kurutulur. `in situ` olarak isimlendirilen ikinci yaklaşımda, GNP'lerin homojenize edilmiş doku içerisinde sentezlenmesi amaçlanır. Indirgeyici ajan olarak hacimce 10-µl 3.55x10-2 M HONH2·HCl, hacimce 10-µl of 3x10-3M NaOH solüsyonu ile birlikte, hacimce 10-µl doku süspansiyonun içerisine eklenmesinden sonra hacimce 10-µl 4.36x10-1 M gümüş nitrat çözeltisi de içerisine eklenir. Sonra, bu karışımdan hacimce 2-µl CaF2 slaydının üzerinde yer alarak, ölçüm öncesi kurutulmaya bırakılır. İlk yaklaşım, doku örneğinin yer alacağı yüzey (PDMS, Al folyo, CaF2), sinyal toplama türü (rastgele seçim, haritalama), spectral aralık, haritalanan yüzeyin büyüklüğü gibi parametreler yönünden optimize edilirken; in situ metotu, sinyal elde türü ve AgNO3, HONH2·HCl ile NaOH solüsyonlarının konsantrasyon optimizasyonlarını içerir. Sonra, her bir metot, parametrelerin değişkenlik katsayıları, metot içi ve metot arası tekrarlanabilirlik, doğruluk ve zengin YZRS sinyal paterni terimleri ve PC-LDA sınıflandırma modelleri ile analiz edildi. Sonra, bu iki metot, hacimce 5-µl GNP suspansiyonun homojenize doku ile karıştırılmasını içeren bir önceki yaklaşımımız olan `Crashed-liquefied` ile, 64 adet insan tiroid biyopsileri kullanılarak karşılaştırıldı. Sonuçlar göstermiştir ki, YZRS datasının tam spectrum bölgesinin kullanılarak, kötü ve sağlıklı doku ile iyi huylu ve sağlıklı dokuyu ayırmada en iyi yöntem in situ iken, iyi huylu ve kötü huylu tümörleri en iyi ayıran ise Cryosectioned-PDMS ve Crashed-liquefied yöntemleridir. Bu çalışmanın bulguları, YZRS tekniğinin kanser tanısında kullanılabilir olduğunu göstermektedir.

The applicability of SERS in early cancer detection by means of differentiating cancerous tissue from healthy tissues was systematically investigated by employing three different sample preparation strategies. In the first approach, a 5-µm thick cryosectioned tissue specimen was placed on a PDMS layer coated glass slide before adding a volume of 20-µl 16× concentrated AgNPs containing colloidal suspension onto the tissue. Then, the colloidal suspension was dried at the suspended position to achieve optimal distribution of the AgNPs in the droplet area. In the second approach, in situ synthesis of AgNPs in the homogenized tissue sample was aimed. A 10-µl from each of 4.36x10-1 M AgNO3, 3.55x10-2 M HONH2·HCl and 3x10-2 M NaOH was successively added into the 10-µl of homogenized tissue suspension to reduce Ag+ ions into AgNPs in the homogenized tissue. Then, a 2µl of this mixture was placed onto a CaF2 slide and dried before the SERS measurements. The first approach was optimized through parameters including substrate used to place tissue specimen (PDMS, Al-foil or CaF2), signal collection type (random selection versus mapping), spectral range and acquired-mapping size while the latter approach optimized through the acquisition type and concentrations of AgNO3, HONH2·HCl and NaOH solutions. Then, the data acquired with each sampling method was analyzed with PC-LDA classification models and the coefficients by comparing intra- and inter-method reproducibility, accuracy, and SERS performance indicators of spectral richness and SNR. Finally, the data acquired from these two methods were compared with our previously developed approach of Crashed-liquefied consisting of mixing a 5-µl 32× concentrated colloidal AgNP suspension with homogenized tissue sample by utilizing human thyroid biopsies (n=64). The results showed that in situ approach indicated a higher classification accuracy compared to other approaches for malignant vs. healthy tissue and benign vs. healthy tissue diagnostic combinations by using full spectra region of spectra while the best classification performance for benign vs. malignant tumors was obtained by using Cryosectioned-PDMS and Crashed-liquefied approaches. The findings of this study clearly indicate that SERS is a suitable technique to employ in cancer diagnosis.