Fluorescencja i jej zastosowanie w medycynie

Fluorescencja to zjawisko polegające na emitowaniu przez materiał światła o określonej długości fali, gdy jest on wystawiony na działanie światła o innej długości fali. Napromieniowane i emitowane światło nazywane jest odpowiednio „światłem wzbudzającym” i „światłem fluorescencyjnym”. Materiał nazywany jest „substancją fluorescencyjną”.

Fluorescencja od dawna znajduje zastosowanie w medycynie, m.in. w sekwencjonowaniu DNA i badaniu procesów wewnątrzkomórkowych. Ponadto w ostatnich latach pojawiły się metody diagnostyczne wykorzystujące mechanizm autofluorescencji tkanek, umożliwiające szybsze diagnozowanie niektórych chorób i wprowadzanie odpowiedniego leczenia.

Metoda wizualizacji fluorescencji tkankowej jest stosowana w medycynie od co najmniej 10 lat, głównie do badania i diagnozowania anomalii tkankowych w płucach. Jej skuteczność została dobrze udokumentowana w licznych publikacjach naukowych, dzięki czemu jest to metoda bezpieczna i niezawodna.

Fluorescencja związków biologicznie czynnych
W przyrodzie można wyszczególnić szereg związków, które naturalnie wykazują zdolność do fluorescencji. Występują one również w organizmie każdego z nas, co wykorzystywane jest w zaawansowanej diagnostyce. Do takich związków należą m.in:

zasady obecne w kwasach dezoksyrybonukleinowym (DNA) i rybonukleinowym (RNA)
witaminy i hormony, takie jak ryboflawina
aminokwasy aromatyczne, np. fenyloalanina lub tyrozyna

Związki aktywne biologicznie, które wykazują fluorescencję, można również zaobserwować w świecie roślin. Mowa tu na przykład o chlorofilu, karotenoidach czy bakteriochlorofilach, czyli różnego rodzaju pigmentach.

Spektroskopia fluorescencyjna
W ostatnich latach spektroskopia fluorescencyjna (znana również jako spektrofluorymetria) znalazła szerokie zastosowanie w medycynie.
Wykorzystuje się ją między innymi do sekwencjonowania DNA, badania choroby Alzheimera, obserwacji procesów zachodzących wewnątrz komórek czy diagnozowania anomalii tkankowych w płucach. Z jego pomocą można analizować fluorescencję próbki wywołaną światłem ultrafioletowym lub promieniowaniem rentgenowskim.Na przykład oznaczanie aminokwasów, ryboflawiny, tiaminy lub kwasu foliowego we krwi i innych płynach ustrojowych jest rutynowo wykonywane, zwłaszcza gdy próbka przechowywanego materiału biologicznego jest niewielka. Z kolei przykładem zastosowania fluorymetrii w biotechnologii jest badanie aktywności enzymów. Aby przeprowadzić niezbędne operacje, konieczne jest użycie wysokiej jakości, niezawodnej i dokładnej aparatury. Fluorymetria czasowo-rozdzielcza jest nieocenioną pomocą diagnostyczną, pod warunkiem, że jest przeprowadzana zgodnie z metodologią i przy użyciu niezawodnego sprzętu.

Według wielu badaczy spektroskopia fluorescencyjna może również stanowić proste i obiektywne narzędzie do poprawy identyfikacji zmian przedrakowych i nowotworowych w jamie ustnej in vivo.

Fluorescencja różnicowa
Metoda fluorescencji indukowanej laserem (LIF) jest stosowana w ogólnej diagnostyce medycznej od kilku lat. Stosuje się ją do wykrywania wczesnych stadiów raka, miażdżycy, kamicy nerkowej i moczowej. „Biopsje optyczne”, jak nazywane są wspomniane procedury diagnostyczne, w odróżnieniu od badań histopatologicznych, są nieinwazyjne, nie wymagają pobierania materiału, a ilość analizowanego materiału jest nieograniczona. Indukowane i wzbudzane promieniowanie jest transmitowane przez system światłowodowy, sygnały są mierzone w czasie rzeczywistym, a zarejestrowane obszary mogą być analizowane wielokrotnie.
Detekcja LIF polega na rejestrowaniu fluorescencji obszaru tkanki pod wpływem padającego promieniowania. Promieniowanie wzbudzające indukuje odpowiednie barwniki fluorescencyjne (fluorofory) zawarte w materiale biologicznym.
Fluorescencja indukowana laserem jest stosowana z endogennymi fluoroforami (tzw. „autofluorescencja”) lub z wprowadzeniem egzogennych fluoroforów, które gromadzą się lepiej w tkankach nowotworowych niż w zdrowych. Egzogenne barwniki pełnią jednocześnie rolę fotouczulaczy w fotodynamicznej terapii nowotworów. Fluorescencja indukowana w tkankach pochodzi między innymi z takich związków jak endogenne porfiryny, melanina, beta-karoten, dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD), dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NAD), białka elastyny i kolagenu oraz pochodne pirydoksyny.

Obrazowanie fluorescencyjne ICG
Zastosowanie obrazowania fluorescencyjnego w bliskiej podczerwieni (NIR) za pomocą zieleni indocyjaninowej (ICG) zyskuje uznanie wśród coraz większej liczby chirurgów. Lista potencjalnych, jak i już znanych zastosowań ICG stale rośnie.
ICG jest jednym z barwników fluorescencyjnych widocznych w określonym spektrum światła.
Zastosowanie ICG polega na jego dożylnym podaniu, a następnie obserwacji jego perfuzji podczas laparoskopii. Obraz w podczerwieni nakładany jest na spektrum światła widzialnego, umożliwiając operatorowi obserwację obrazu hybrydowego w czasie rzeczywistym.Zastosowanie ICG opiera się na jego metabolizmie i charakterystycznym zachowaniu w ludzkim ciele. W ciągu kilku minut od podania dożylnego barwnik jest całkowicie usuwany z organizmu. Zdecydowana większość jest metabolizowana w wątrobie i wydalana z żółcią. Zasada kilkuminutowej perfuzji tkankowej nie ma jednak, z jakiegoś - nieokreślonego jeszcze - powodu, zastosowania do tkanek nowotworowych, w których .ICG. może utrzymywać się nawet przez kilka dni. Warto zauważyć, że powyższe właściwości same w sobie sugerują potencjalne zastosowania zieleni indocyjaninowej.

Zastosowanie ICG w chirurgii może również skrócić czas wielogodzinnych zabiegów operacyjnych, zwiększyć ich bezpieczeństwo, umożliwić większą czystość onkologiczną, a tym samym obniżyć koszty leczenia i hospitalizacji. Metoda jest dość prosta i mało obciążająca dla pacjenta - znacznie mniej skomplikowana i tańsza niż np. techniki radioizotopowe.