Advanced Raman techniques for real time cancer diagnostics

Abstract

Cancer is one of the greatest causes of death in modern societies, affecting over 350,000 new cases every year in the UK. Although there are currently more than 100 different cancer types, breast and prostate cancer remain the most common types for women and men respectively. A number of different cancer types follow, with bladder cancer being the ninth most significant type, accounting for 3% of the total new cases. The currently employed techniques aim to diagnose the cancer at an early stage, where the symptoms are easier to be treated and the disease more likely to be cured. A further issue is that many cancers diagnosed will not affect a patient in their lifetime. The current gold standard for cancer diagnosis, biopsy followed by histopathology, is an invasive, restrictive technique and the screening tests suffer from low specificity, the need for a novel diagnostic concept is vital. Furthermore, the current clinical approach does not identify those patients most at risk of advancing disease. A promising approach consists of molecular vibrational spectroscopy techniques, which are based on the interactions of light with matter. One of these is Raman spectroscopy, a technique with wide applications in research and industry, which has the advantage of being noninvasive and chemically highly specific. In this thesis we explore the potential of a group of minimally invasive diagnostic techniques, based on Raman scattering, for prostate, breast and bladder cancer. In the case of the two most prevalent types of cancer, prostate and breast cancer, deep Raman spectroscopy has been employed to study the origin of Raman scattering (Chapters 5 and 6) in animal tissue and tissue phantoms, containing highly scattering materials resembling suspicious features found in tissues (calcifications). The spatial distribution of the Raman signal through the sample volume has been studied in relation to the optical properties and the composition of the sample, showing that a couple of transmission measurements would potentially cover the measuring volume of prostate of typical dimensions. Deep Raman measurements were also extended to animal and human tissue samples, in order to investigate the feasibility of collecting Raman scattering from human prostate tissue and its major tissue components (Chapter 6).Further improvements on these measurements were attempted by introducing the ‘’photon diode’’ element (Chapter 7) in order to achieve signal enhancement, which proved to be in the range of ×1-2.4, depending on the optical properties of the tissue and the depth of the probing element. The same ‘’photon diode’’ concept was utilised to attempt depth prediction of a calcification feature in sample volume (Chapter 8).Regarding bladder cancer, the minimally invasive approach adopted was Raman spectroscopy on urine samples, rather than deep Raman spectroscopy. Raman microscopy was employed in order to discriminate pathological features of bladder cancer between healthy and malignant urine samples. For that reason, the potential differences in urea’s distribution and interactions in urine from healthy and patients with bladder cancer were studied, resulting in promising diagnostic values (73% sensitivity, 80% specificity).The results presented in this thesis are expected to lead to a better understanding of the Raman scattering signals collection through biological tissues and help in this way the future design of Raman instruments aiming to target disease specific signals. This study shows promise for future application of Raman spectroscopy and paves the way towards the future integration of Raman spectroscopy in a non-invasive cancer diagnosis.

Ο καρκίνος είναι μια από τις μεγαλύτερες αιτίες θανάτου στις σύγχρονες κοινωνίες, επηρεάζοντας πάνω από 350.000 άτομα κάθε χρόνο στο Ηνωμένο Βασίλειο. Αν και σήμερα υπάρχουν περισσότεροι από 100 διαφορετικοί τύποι καρκίνου, ο καρκίνος του μαστού και του προστάτη παραμένουν οι πιο συνηθισμένοι τύποι στις γυναίκες και στους άνδρες αντίστοιχα. Ακολουθεί ένας αριθμός διαφορετικών τύπων καρκίνου, με τον καρκίνο της ουροδόχου κύστης να είναι ο ένατος πιο σημαντικός τύπος, που αντιπροσωπεύει το 3% του συνόλου των νέων περιπτώσεων. Οι πλέον χρησιμοποιούμενες τεχνικές στοχεύουν στη διάγνωση του καρκίνου σε πρώιμο στάδιο, όπου τα συμπτώματα αντιμετωπίζονται ευκολότερα και η ασθένεια είναι πιο πιθανό να θεραπευθεί. Επιπλέον, πολλοί από τους καρκίνους που διαγνώσκονται δεν θα επηρεάσουν έναν ασθενή κατά τη διάρκεια της ζωής του. Η τρέχουσα αντιμετώπιση για τη διάγνωση του καρκίνου είναι η βιοψία ακολουθούμενη από ιστοπαθολογία, η οποία είναι μια επεμβατική τεχνική με χαμηλή ακρίβεια. Είναι επομένως εμφανής η ανάγκη για μια νέα διαγνωστική προσέγγιση. Επιπλέον, η τρέχουσα κλινική προσέγγιση δεν είναι ικανή να εντοπίσει τους ασθενείς που διατρέχουν μεγαλύτερο κίνδυνο εξέλιξης της νόσου. Οι φασματοσκοπικές τεχνικές μοριακής δόνησης αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση, η οποία βασίζεται στην αλληλεπίδραση φωτός- ύλης. Μία από αυτές είναι η φασματοσκοπία Raman, μια τεχνική με ευρείες εφαρμογές στην έρευνα και τη βιομηχανία, η οποία έχει το πλεονέκτημα να είναι μη επεμβατική και με μεγάλη χημική εξειδίκευση. Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκαν οι δυνατότητες μιας ομάδας ελάχιστα επεμβατικών διαγνωστικών τεχνικών, βασισμένων στη σκέδαση Raman, για τον καρκίνο του προστάτη, του μαστού και της ουροδόχου κύστης. Στην περίπτωση των δύο πιο διαδεδομένων τύπων καρκίνου, του προστάτη και του καρκίνου του μαστού, η φασματοσκοπία Raman εν τω βάθει χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της προέλευσης της σκέδασης Raman (Κεφάλαια 5 και 6) σε ιστούς ζώων και ομοιώματα ιστών, τα οποία περιείχαν υλικά υψηλής διασποράς που προσομοίαζαν ύποπτα ευρήματα (ασβεστώσεις) που απαντώνται στους ιστούς. Η χωρική κατανομή του σήματος Raman στον όγκο του δείγματος μελετήθηκε σε σχέση με τις οπτικές ιδιότητες και τη σύνθεση του δείγματος, δείχνοντας ότι λίγες μετρήσεις Raman θα μπορούσαν δυνητικά να καλύψουν τον όγκο μέτρησης ενός ανθρώπινου προστάτη τυπικών διαστάσεων. Οι μετρήσεις Raman εν τω βάθει επεκτάθηκαν και σε δείγματα ζωικού και ανθρώπινου ιστού, προκειμένου να διερευνηθεί η σκοπιμότητα συλλογής σκέδασης Raman από έναν ανθρώπινο προστάτη και τα κύρια συστατικά του (Κεφάλαιο 6).Περαιτέρω βελτιώσεις στις μετρήσεις επιχειρήθηκαν με την εισαγωγή μιας φωτοδιόδου (Κεφάλαιο 7) προκειμένου να επιτευχθεί ενίσχυση σήματος. Αυτή υπολογίστηκε στην περιοχή ×1- 2.4, ανάλογα με τις οπτικές ιδιότητες του ιστού και το βάθος του στοιχείου ανίχνευσης. Η ίδια έννοια της φωτοδιόδου χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη βάθους ενός χαρακτηριστικού στοιχείου ασβεστοποίησης στον όγκο του δείγματος (Κεφάλαιο 8).Όσον αφορά στον καρκίνο της ουροδόχου κύστης, η ελάχιστα επεμβατική προσέγγιση που υιοθετήθηκε ήταν η συμβατική φασματοσκοπία Raman σε δείγματα ούρων και φασματοσκοπία Raman εν τω βάθει. Συγκεκριμένα, έγινε χρήση της μικροσκοπίας Raman για τη διάκριση των παθολογικών χαρακτηριστικών του καρκίνου της ουροδόχου κύστης. Για το λόγο αυτό, μελετήθηκαν οι πιθανές διαφορές στην κατανομή και τις αλληλεπιδράσεις της ουρίας στα ούρα από υγιείς και ασθενείς με καρκίνο της ουροδόχου κύστης. Από την ανάλυση προέκυψαν υποσχόμενες διαγνωστικές τιμές (73% ευαισθησία, 80% ακρίβεια). Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή αναμένεται να οδηγήσουν σε μια καλύτερη κατανόηση της συλλογής σημάτων σκέδασης Raman μέσω βιολογικών ιστών, η οποία θα βοηθήσει στο μελλοντικό σχεδιασμό οργάνων Raman με στόχο τη στόχευση σημάτων σχετιζόμενων με ασθένειες. Αυτή η μελέτη αναδεικνύει τη δυνατότητα μελλοντικών εφαρμογών της φασματοσκοπίας Raman και ανοίγει το δρόμο προς τη μελλοντική ενσωμάτωση της προσέγγισης στη μη επεμβατική διάγνωση του καρκίνου.