Читайте также:
|
Актуальность разработки методов высокочувствительного детектирования NO, образуемого в организме, обусловлена многообразием биологических функций, присущих этой молекуле, и необходимостью изучения механизмов и закономерностей образования их в здоровом организме и их взаимосвязи с патологическими процессами. С прикладной точки зрения важно исследование NO как потенциальной молекулы-биомаркера в целях разработки новых неинвазивных методов диагностики заболеваний и сопровождения терапии.
В результате интенсивных исследований, проведенных в последние десятилетия, было установлено, что молекулы NO в организме активно участвуют в целом ряде биохимических и физиологических процессов. В частности, NO является молекулой-нейромедиатором, т.е. вторичным мессенджером, участвующим в передаче нервных импульсов. С ее помощью регулируется тонус кровеносных сосудов. Выделение молекул NO сопровождает воспалительные процессы. Являясь мощным оксидантом, NO играет также бактериостатическую роль, т.е. участвует в первой линии антибактериальной защиты в дыхательных путях и желудке.
Выбор аналитического спектрального диапазона детектирования NO методами ДЛС в первую очередь обусловлен требованиями к чувствительности и селективности, которые должны быть обеспечены для регистрации эндогенной моноокиси азота в выдыхаемом воздухе или газовом пузыре желудка. Для решения этих задач необходимо регистрировать содержание NO с чувствительностью не хуже 1 млрд-1 в присутствии паров воды (47 мм рт. ст.) и при повышенной концентрации CO2 (до более чем 3%), свойственной выдыхаемому воздуху.
Аналитическая линия NO подбиралась на основе моделирования спектров поглощения NO, H2O и CO2 для условий, соответствующих составу выдыхаемого воздуха, в спектральном диапазоне вблизи 5,4 мкм, где располагается полоса фундаментального поглощения NO 1-0, а также существенно резонансное поглощение H2O и CO2. Для выбора наилучшей для анализа линии поглощения NO и оценки достижимой чувствительности использовались алгоритмы и критерии выбора аналитических лини в условиях сильной интерференции полос поглощения исследуемого и мешающих соединений, которые были описаны выше.
На основе анализа было установлено, что наиболее благоприятные условия детектирования NO в выдыхаемом воздухе выполняются при регистрации неразрешенного при атмосферном давлении дублета P(7,5) на частоте 1850,17 см-1, имеющего суммарную интенсивность ~1,03∙10-19 см-1/(молек∙см-2) и достаточно удаленного от близлежащих линий H2O и CO2.
9. NH3 как биологически активная молекула и биомаркер. Спектроскопия молекулы NH3 в среднем ИК-диапазоне. Экспериментальные результаты по регистрации в выдыхаемом воздухе.
Аммиак является одним из конечных продуктов азотистого обмена. Образование аммиака происходит практически во всех органах и тканях. Основным источником его в организме являются аминокислоты, амины, амидные группы белков. В образовании аммиака участвуют десятки различных ферментативных систем. Несмотря на разнообразные и интенсивно идущие процессы аммиакообразования, содержание этого токсичного метаболита в крови и тканях невелико. Это обусловлено тем, что наряду с процессами образования аммиака идут процессы его связывания в организме и выведения из организма с мочой, потом и выдыхаемым воздухом. У здоровых людей содержание аммиака в крови достаточно стабильно и не зависит от возраста, массы и поверхности тела. Физическая нагрузка сопровождается возрастанием уровня аммиака в венозной крови.
Обмен аммиака, его образование в организме, связывание и выделение представляют собой сложный комплекс биохимических реакций, в которых участвуют десятки различных ферментных систем. Эти процессы сильно связаны с энергетическим обменом, состоянием кислотно-основного равновесия, катаболизмом белков и зависят от гормональной регуляции.
Содержание NH3 в выдыхаемом воздухе отражает его содержание в венозной крови, поэтому может служить для оценки аммиачного статуса организма и факторов, изменяющих этот статус. Так как уровень NH3 определяется множеством различных процессов, то в данном случае специфичность диагностики отдельных процессов без применения специальных методов будет мала. Однако информация об уровне содержания несвязанного NH3 в организме может быть полезна для характеризации общего гомеостаза организма и эффективности поддерживающих его механизмов. Кроме того, с помощью анализа выдыхаемого воздуха возможно выявление некоторых биохимических реакций, идущих с образованием NH3, если использовать изотопически модифицированные препараты, обогащенные стабильным 15N.
Поскольку содержание эндогенного NH3 в выдыхаемом воздухе достаточно мало, 50-250 млрд-1, для измерения концентрации этого вещества целесообразно использовать линии поглощения наиболее интенсивной в ИК-диапазоне КВ-полосы ν2, простирающейся от 8 до 11,5 мкм. Анализ и моделирование спектров поглощения NH3, CO2, H2O и N2O в этом спектральном диапазоне позволили выявить наиболее благоприятные для детектирования следов NH3 резонансные структуры. Ими являются мультиплет aR(4) и линия sQ(3,3) в районе 1065,6 см-1 и 967,346 см-1 соответственно.
Суммарная интенсивность линий мультиплета aR(4) составляет 6,34∙10-19 см/молек, а линии sQ(3,3) – 5,45∙10-19 см/молек. Они достаточно хорошо удалены от линий поглощения воды, CO2 и других газов, которые могут присутствовать в выдыхаемом воздухе и давать сравнимое поглощение в данном спектральном диапазоне. Табличный коэффициент столкновительного уширения этих линий поглощения аммиака атмосферным воздухом составляет ~0,075 см-1атм-1, что при атмосферном давлении дает для концентрации NH3 в воздухе 1 млрд-1 коэффициент поглощения в максимуме ~4,0∙10-8 см-1 и 3,5∙10-8 см-1 соответственно. При длине оптического пути 3∙103 см в многоходовой оптической кювете это соответствует оптической плотности 1,2∙10-4.
С помощью разработанного лазерного анализатора была экспериментально продемонстрирована возможность детектирования эндогенно-образуемого аммиака в выдыхаемом человеком воздухе методами ДЛС. Особенности пробоотбора и дыхательного маневра состояли в прямом отборе пробы и непрерывной прокачке исследуемой газовой смеси через аналитическую кювету. Кроме того использовался подогрев стенок кюветы и пониженное давление газа в кювете ~300 мм рт. ст. Для здоровых испытуемых полученные значения концентрации эндогенного аммиака в выдыхаемом воздухе лежали в диапазоне 100-150 млрд-1. При гипервентиляции наблюдалось снижение содержания аммиака в выдыхаемом воздухе в 2-3 раза в зависимости от глубины вентиляции легких. Было обнаружено существенное (в 1,5-2 раза) увеличение концентрации NH3 в выдыхаемом воздухе у курильщиков.
Лазерное детектирование аммиака в выдыхаемом воздухе может быть перспективно для диагностики заболеваний, связанных с нарушением обмена веществ, дисфункциями печени и почек, нарушением кислотно-основного баланса, заболеваний респираторных органов, а также для исследований последствий острого и хронического воздействия ионизирующего излучения. Для разработки новых диагностических методов, основанных на детектировании эндогенного аммиака, требуется дальнейшее тщательное изучение основных закономерностей выделения аммиака с выдыхаемым воздухом и связи получаемых концентраций с нормальными и патологическими изменениями в организме.
10. CH4 как биологически активная молекула и биомаркер. Спектроскопия молекулы CH4 в среднем ИК-диапазоне. Экспериментальные результаты по регистрации в выдыхаемом воздухе.
Причиной образования CH4 являются в основном процессы гниения, которые происходят с участием анаэробных метан-образующих бактерий. В организме человека подобные процессы могут идти в кишечнике при переваривании пищи. В норме процессы гниения подавлены активностью пищеварительных ферментов, однако они могут активизироваться при нарушениях нормального процесса. В этом случае образующийся CH4 диффундирует через стенки кишечника в кровь и далее с кровотоком попадает в легкие, где выходит в выдыхаемый воздух. Фоновое содержание метана в атмосферном воздухе относительно высоко и составляет 1,3 млн-1, что также затрудняет выделение малых количеств эндогенно-образуемого CH4 на фоне такого высокого экзогенного уровня.
Таким образом, детектирование эндогенного метана в выдыхаемом воздухе может быть перспективным, в основном, для выявления в организме патологических процессов гниения и брожения, происходящих в пищеварительном тракте.
Для детектирования CH4 в выдыхаемом воздухе достаточно умеренной чувствительности, поскольку уровень экзогенного метана достаточно высок. Для этой цели могут быть использованы линии поглощения как из полосы ν3, так и ν4, центры которых расположены в районе 3,3 мкм и 7,6 мкм соответственно.
С точки зрения интерференции с другими атмосферными газами наибольшую проблему составляет перекрытие в районе 3,3 мкм полосы CH4 с первым обертоном воды 2ν2. Оно существенно ограничивает выбор подходящих для анализа линий метана. Оптимальным для детектирования является спектрально неразрешенный при атмосферном давлении триплет R(3) CH4 с центром на частоте ~3057,7 см-1, обладающий высокой интенсивностью поглощения и достаточно удаленный от близлежащих линий воды. Отдельные компоненты этого триплета имеют интенсивность 1,2-2,2 ∙10-19 см/молек и коэффициент столкновительного уширения ~0,06 см-1атм-1. Моделирование коэффициента поглощения этого триплета при атмосферном уширении дает при концентрации метана 1 млн-1 величину поглощения в максимуме ~5,0∙10-5 см-1 и полуширину на полувысоте резонанса ~ 0,08 см-1. Таким образом, при стандартной длине оптического пути в многоходовой кювете ~3∙103 см изменение оптической плотности составит ~15%.
С помощью разработанного лазерного анализатора СH4 была экспериментально продемонстрирована возможность детектирования эндогенно-образуемого метана в выдыхаемом человеком воздухе методами ДЛС. При использовании многоходовой кюветы отбор пробы анализируемого воздуха осуществляется с использованием промежуточной мягкой буферной емкости, при этом анализируется деление метана при спокойном спонтанном дыхании. При отборе пробы выдыхаемого воздуха в стеклянный контейнер используется стандартный дыхательный маневр, обеспечивающий сбор конечной фракции выдыхаемого воздуха.
Результаты анализа выдыхаемого воздуха здоровых испытуемых показали, что концентрации эндогенного метана в нем лежат в диапазоне 1,5-3 млн-1. При гипервентиляции этот уровень немного уменьшался на 20-30%, что обусловлено незначительным разбавлением выдыхаемого воздуха атмосферным. Существенное (в 2-3 раза) увеличение концентрации СН4 в выдыхаемом воздухе было обнаружено у курильщиков.
Таким образом, полученные данные демонстрируют возможность детектирования метана в выдыхаемом воздухе методами ДЛС, что может быть использовано для целей неинвазивной диагностики патологических процессов, обусловленных нарушением процессов пищеварения, в частности, процессов гниения в кишечнике. В этих случаях содержание СН4 в выдыхаемом воздухе может составлять 30-150 млн-1.
Заключение.
Актуальность применения методов лазерной спектроскопии в биофизике обусловлена перспективностью их использования как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях. При исследовании состава выдыхаемого воздуха они позволяют расширить круг изучаемых молекулярных объектов, продвинуться в область более низких концентраций детектируемых веществ, ускорить и упростить проведение анализа. На их основе могут быть разработаны новые подходы к неинвазивной диагностике с использованием измерений в реальном времени, долговременного непрерывного мониторинга и массовых скрининговых обследований. В практической медицине перспективна разработка новых методов корреляционной диагностики, радиационно-безопасной диагностики с применением стабильных изотопов, сопровождения и оптимизации терапевтических воздействий различного характера, диагностики экстремальных физиологических состояний. Данный подход может быть также использован в фармакологии, для оценки воздействия загрязнений окружающей среды и в эпидемиологических исследованиях.
Инструментальный анализ следов газообразных соединений в выдыхаемом воздухе является актуальным и перспективным подходом для развития новых методов исследований и диагностики в биомедицине. Его объектами могут быть относительно легкие и простые молекулы-биомаркеры, закономерности образования и выделения которых достаточно четко связаны с нормальными и патологическими процессами, протекающими в организме.
Исследование состава выдыхаемого воздуха на уровне микроконцентраций детектируемых веществ является сложной инструментальной задачей, требующей от применяемого физического метода сочетания высоких аналитических параметров, таких как чувствительность, селективность и быстродействие измерений. В настоящее время в данной области исследований находят применение такие аналитические методы, как газовая хроматография, УФ-хемолюминесценция и спектрофотометрия, основанная, в частности, на оптоакустических и других лазерных принципах. Область применения этих методов в целях биомедицинской диагностики стремительно расширяется.
Практика развития ДЛС и ее использования для решения задач газового анализа показывает, что она является перспективным подходом для исследований состава выдыхаемого воздуха и развития новых диагностических методов в биомедицине на этой основе. Методы ДЛС отличают высокая концентрационная чувствительность, точность, быстродействие и селективность измерений, нечувствительность к основным компонентам выдыхаемого воздуха – кислороду и азоту, универсальность в применении к разнообразным молекулярным объектам, возможность прямого неразрушающего анализа среды.
Актуальность исследований, направленных на развитие методов высокочувствительного анализа газообразных молекул-биомаркеров с помощью ПДЛ, обусловлена перспективностью применения данного подхода для целей биомедицинской диагностики, в фундаментальных и прикладных исследованиях, включая клинические приложения. Применение методов ДЛС для исследований состава выдыхаемого воздуха на микроуровне могло бы позволить расширить круг доступных для изучения молекулярных объектов, продвинуться в область более низких концентраций детектируемых веществ, ускорить и упростить проведение анализа и, таким образом, получать ранее недоступную информацию о процессах газообмена в живых организмах. Это создает основу для разработки новых технологических и методических подходов к неинвазивной биомедицинской диагностики, базирующихся на анализе дыхания и газообмена, в которых используются исследования в реальном времени, долговременный непрерывный мониторинг, массовые скрининговые обследования, новые нагрузочные тесты и т.п. С точки зрения практической медицины актуальность данного направления исследований обусловлена перспективностью использования результатов для разработки новых методов корреляционной диагностики заболеваний, радиационно-безопасной изотоп-диагностики с применением стабильных изотопов, сопровождения и оптимизации терапевтических воздействий различного характера, диагностики экстремальных физиологических состояний, а также для фармакологических исследований, оценки воздействия загрязнений окружающей среды и скрининговых тестов населения.
Список литературы
1. Герцберг Г. Спектры и строение двухатомных молекул. М.: ИЛ, 1949.
2. Герцберг Г. Колебательные и вращательные спектры многоатомных молекул. М.: ИЛ, 1949.
3. Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М.: Наука, 1983.
4. Степанов Е.В. Диодная лазерная спектроскопия и анализ молекул-биомаркеров. М.: Физматлит, 2009.
Дата добавления: 2014-12-20; просмотров: 71 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |