$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Hücre karakterizasyonu ve fenotipleme, biyomedikal araştırmanın önemli yönleridir1. Hücreleri hem morfolojik hem de moleküler seviyelerde karakterize edebilmek, hücre fonksiyonunu, farklılaşmasını ve patolojisini anlamak için çok önemlidir 1,2,3. Tümör teşhisi, hastalık evresinin belirlenmesi ve nihayetinde terapötik hedeflerin belirlenmesi için doğru hücre profillemesinin gerekli olduğu onkoloji alanında özellikle ilgi çekicidir2. Geleneksel hücre karakterizasyon yöntemleri zamansal dinamikler sağlayamaz ve genellikle hücrelerin doğal durumuna müdahale edebilecek ve veriler içinde potansiyel sapmalara neden olabilecek boyama veya etiketleme gibi invaziv tekniklere dayanır4. Bu nedenle, canlı hücrelerin doğal, bozulmamış hallerinde doğru ve kapsamlı fenotiplemesini sağlamak için invaziv olmayan stratejiler giderek daha fazla talep görmektedir.
Bu bağlamda, etiketsiz multimodal görüntüleme yöntemleri, hem morfolojik hem de moleküler bilgileri yakalamak için tamamlayıcı modaliteleri birleştirerek hücre biyolojisi araştırmalarında devrim yaratmıştır 2,5. Bu yaklaşımlar, bireysel geleneksel tekniklerin her zaman sağlayamayacağı hücrelerin entegre ve non-invaziv karakterizasyonuna izin verir 2,5,6. Örneğin, floresan mikroskobu gibi mikroskopi teknikleri, morfolojik ve fonksiyonel hücre görüntülemede yaygın olarak kullanılmasına rağmen, doğal sınırlamalara sahiptir. Floresan yöntemleri genellikle foto-ağartma, fototoksisite ve analitik potansiyeli kısıtlayan düşük miktarlarda hedeflenebilir moleküllerden muzdariptir4. Ek olarak, bu yaklaşımlar genellikle doğal hücre durumunu bozabilecek veya artefaktlara yol açabilecek eksojen etiketlerin veya boyaların kullanılmasını gerektirir7.
Çoklu görüntüleme modalitelerinin güçlü yönlerini bir araya getiren multimodal görüntüleme platformları, canlı hücrelerden farklı türde verilerin etiketlemeye ihtiyaç duymadan elde edilmesini sağlayarak bu sınırlamaları aşıyor. Raman spektroskopisinin (RS) faz kontrast mikroskobu veya tomografik faz mikroskobu (TPM) gibi diğer görüntüleme modaliteleri ile entegrasyonu, tek tekniklerin sınırlamalarının üstesinden gelmek için umut verici bir strateji olmuştur. Gerçekten de, multimodal görüntüleme, özellikle moleküler ve yapısal özelliklerin doğru karakterizasyon için çok önemli olduğu karmaşık biyolojik durumlarda ve kanser gibi patolojilerde hücresel fenotiplerin daha derin bir şekilde anlaşılmasını sağlar 2,5.
Etiketsiz RS, hücrelerin kimyasal görüntülenmesi için çok uygundur8. RS, moleküler titreşim modlarını tespit ederek, 9,10,11 hücrelerinin moleküler bileşimi hakkında derinlemesine bilgi ortaya çıkarabilen biyokimyasal parmak izleri sağlar. Biyolojik örneklerden elde edilen Raman spektrumları, hücrelerin moleküler yapısını anlamada önemli rol oynayan lipitler, proteinler, nükleik asitler ve metabolitler gibi çeşitli biyomoleküller hakkında bilgi içerir 9,12. RS'nin temel güçlü yönlerinden biri, invaziv olmaması ve canlı hücrelerin fizyolojik durumlarını değiştirmeden doğal hallerinde karakterizasyonuna izin vermesidir.
Birçok avantajına rağmen, RS ayrıca bazı sınırlamalar sunar. Gerçekten de, RS ayrıntılı moleküler bilgi sağlamasına rağmen, hücrelerin morfolojisi veya yapısı hakkında nicel bilgiye izin vermez2. TPM gibi tamamlayıcı görüntüleme tekniklerinin çok önemli bir rol oynadığı yer burasıdır.
TPM, bir kantitatif faz görüntüleme (QPI) biçimidir13,14 ve hücre morfolojisi 15,16 hakkında yüksek çözünürlüklü, etiketsiz nicel bilgilerin görselleştirilmesini sağlar. TPM, kontrast madde gerektirmemesi bakımından geleneksel mikroskopi tekniklerinden farklıdır; bunun yerine, numunenin17 kırılma indisindeki (RI) değişikliklerden kaynaklanan faz kaymalarını ölçerek çalışır. Faz kaymaları, hücresinin hacmi, yüzey alanı, şekli ve iç yapısı dahil olmak üzere yapısal özellikleri hakkında bilgi sağlar 2,18. TPM, nanometre seviyesine kadar yüksek uzamsal çözünürlük elde edebilir ve bu nedenle canlı hücrelerin yüksek çözünürlüklü morfolojik ayrıntılarını kaydetmek için ideal bir tekniktir. Ayrıca, 3D RI tomogramlarını yeniden oluşturma yeteneği, hücre altı yapıların vivo ortamlarında18 görselleştirilmesini mümkün kılar ve 2D projeksiyonlara kıyasla daha doğru bilgiler sağlar. Bununla birlikte, TPM'nin ana sınırlamalarından biri, farklı kimyasal bileşenler arasında ayrım yapamadan veya biyokimyasal özellikleri tanımlayamadan, öncelikle hücrenin morfolojisi ve faz dağılımı hakkında bilgi sağladığı için kimyasal özgüllük eksikliğidir.
RS ve TPM'nin multimodal bir teknikte kombinasyonu, hücre fenotiplemesinde avantajlar sağlar. RS zengin moleküler bilgiye izin verirken, TPM, hücresel morfolojinin önemli ölçüde ayrıntılı olarak analiz edilmesine izin veren yapısal bir yön ekler. Son zamanlarda, RS'nin TPM ile kombinasyonu, kanser araştırmalarına odaklanan çeşitli çalışmalarda başarıyla gösterilmiştir 2,19,20. Örneğin, önceki çalışmalar, Raman spektroskopisinin holografik faz mikroskobu verileriyle birlikte kaydedilmesinin, farklı hücre tipleri ve tümör gelişim aşamaları arasında ayrım yapılmasına olanak tanıyan tamamlayıcı moleküler ve morfolojik bilgiler sağlayabileceğini bildirmiştir2. Bu araştırmalar, özellikle hücrelerin moleküler ve yapısal özelliklerinin maligniteleri ve davranışlarıyla yakından bağlantılı olduğu kanser bağlamında, hücre fenotiplemesinin doğruluğunu artırmak için multimodal görüntülemenin gücünü vurgulamıştır 2,20.
Multimodal görüntülemedeki son ilerlemeye rağmen, özellikle veri işleme ve analizinde hala ele alınması gereken zorluklar bulunmaktadır21. Multimodal görüntüleme tekniklerinin sağladığı büyük miktarda verinin analiz edilmesi zahmetli olabilir ve anlamlı bilgiler elde etmek için basit prosedürler kullanılmalıdır. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, verilerin karmaşıklığını ele almak ve analizdeki insan yanlılığını en aza indirmek için kullanıcı dostu veri işleme boru hatları oluşturulmalıdır. Bu tür boru hatları, sonuçların doğruluğunun ve tekrarlanabilirliğinin elde edilmesi ve bu yaklaşımların klinik ve tanısal uygulamalara olası çevirisi için kritik öneme sahiptir.
Bu çalışmanın amacı, canlı tek kanser hücrelerinin etiketsiz, yüksek hızlı ve pertürbatif olmayan fenotiplemesi için RS'yi TPM ile birleştirme potansiyelini göstermektir. Bu iki sağlam görüntüleme yaklaşımını birleştirerek, insan meme kanseri hücrelerinin moleküler ve morfolojik özelliklerinin kapsamlı ve kantitatif bir karakterizasyonunu sağlıyoruz (MDA-MB-231). Çalışma ayrıca, çok modlu veri kümelerinden çıkarılan bilgilerin doğru ve güvenilir olmasını sağlamak için insan yanlılığı içermeyen veri işleme boru hatları oluşturmanın önemini vurgulamaktadır. Burada, diğer hücre türlerine genelleştirilebilecek kanser hücresi fenotiplemesi için sağlam bir platform oluşturmaya çalışıyoruz. Bu yaklaşımın çok yönlülüğü ve hassasiyeti, onu temel hücre biyolojisi çalışmalarından teşhise kadar çok çeşitli biyomedikal uygulamalar için potansiyel bir aday haline getirmektedir.