Φασματοσκοπική μελέτη οφθαλμικών παθήσεων και ανίχνευση μορίων φαρμάκων

Abstract

Laser Raman spectroscopy is an inelastic light scattering technique able to characterize molecules in aqueous environments. The purpose of this work is to develop a non-contact and non-invasive spectroscopic method to identify and eventually quantify the presence of medicines (e.g. antibiotics) and physiological substances (e.g. glucose) in the aqueous humor of the eye. Α new laser light delivery probe has been developed and adapted to a Raman spectroscopic system with the ability of favorable collection of the Raman light at 90o scattering geometry while scanning the anterior chamber of the eye. The technique is applied both, to porcine eyes in-vitro, max. 24 hours after death and extraction, for ceftazidime, amphotericin B and glucose and to a commercially available artificial anterior chamber (AAC) fitted with corneas of porcine eyes for ceftazidime, amphotericin B, amikacin sulphate and ciprofloxacin. Finally, a PLS chemometric algorithm has been developed to predict the concentration of antibiotics in AAC. This special illumination design gives the opportunity of reducing the direct exposure of the basic cordial ocular tissues, like lens and retina, to the laser beam, while at the same time an optimum collection of scattered light is accomplished. Concentrations close to the minimum inhibitory concentration (MIC) have been detected for antibiotics both in porcine eyes and AAC; the detection of glucose has been realized at concentrations close to the early pathological levels of patients with diabetes. Furthermore, the quantification of concentration of antibiotics in AAC is accomplished by a partial least-squares (PLS) chemometric regression algorithm and the RMS error of the validation procedure further emphasize the promising prospect of the application of the Raman spectroscopy to the Ophthalmology.

Η φασματοσκοπία Raman είναι τεχνική ανελαστικής σκέδασης φωτός, ικανή να ανιχνεύει και να χαρακτηρίζει μόρια σε ποικιλία υδατικών διαλυμάτων. Σκοπός της εργασίας είναι η ανάπτυξη μιας μη επεμβατικής, μη καταστροφικής φασματοσκοπικής μεθόδου για την ανίχνευση και τον ποσοτικό προσδιορισμό τόσο φαρμακευτικών ουσιών (π.χ αντιβιοτικών) όσο και φυσιολογικών ουσιών (π.χ γλυκόζη) στο υδατοειδές υγρό οφθαλμού. Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας αναπτύχθηκε μια νέα γεωμετρική οπτική διάταξη για την καθοδήγηση της δέσμης του laser στον οφθαλμό, που προσαρμόζεται σε φασματοσκόπιο Raman με ανιχνευτή CCD, δίνει τη δυνατότητα επιλεκτικής συλλογής του σκεδαζόμενου φωτός, σαρώνοντας τον εμπρόσθιο θάλαμο, σε γεωμετρία σκέδασης 90ο. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν (α) σε χοιρινούς οφθαλμούς in-vitro, max 24 ώρες μετά τη θανάτωση των ζώων και την αφαίρεση του βολβού, μετά την έγχυση στον εμπρόσθιο θάλαμο μορίων κεφταζιδίμης, αμφοτερισίνης Β και γλυκόζης και (β) σε μοντέλο πρόσθιου θαλάμου (AAC) σε συνδυασμό με κερατοειδή χιτώνα χοιρινών οφθαλμών μετά την έγχυση μορίων κεφταζιδίμης, αμφοτερισίνης, θειικής αμικασίνης και σιπροφλοξασίνης. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε χημειομετρικός αλγόριθμος μερικών ελαχίστων τετραγώνων (PLS) για να προβλέψει τη συγκέντρωση των αντιβιοτικών στο μοντέλο του πρόσθιου θαλάμου. Με τον νεό αυτό σχεδιασμό αποφεύγεται η απευθείας έκθεση βασικών οφθαλμικών ιστών, όπως του φακού και του αμφιβληστροειδούς, στη δέσμη του laser, ενώ παράλληλα επιτυγχάνονται βέλτιστες συνθήκες συλλογής του σκεδαζόμενου φωτός βελτιώνοντας το λόγο σήματος/θορύβου των φασμάτων. Ανιχνεύτηκαν συγκεντρώσεις στην περιοχή της μέσης ανασταλτικής πυκνότητας για τα αντιβιοτικά τόσο στο υδατοειδές υγρό χοιρινών οφθαλμών όσο και στο μοντέλο του πρόσθιου θαλάμου? η γλυκόζη ανιχνεύτηκε σε συγκέντρωση κοντά στα παθολογικά επίπεδα των διαβητικών ασθενών. Με βάση και το σφάλμα RMS της ποσοτικής ανάλυσης PLS, προσδοκάται βάσιμα ότι η μέθοδος είναι δυνατό χρησιμοποιηθεί στον τομέα της οφθαλμολογίας για τη μελέτη της φαρμακοκινητικής καθώς και για την έγκαιρη διάγνωση ασθενειών (π.χ. σακχαρώδης διαβήτης).