Красникова Ольга Владимировна, кандидат биологических наук, доцент кафедры общей химии ФГБОУ ВО "ПИМУ" Минздрава России
В настоящее время учеными во всем мире активно разрабатываются способы диагностики заболеваний методом ИК-спектроскопии биологических жидкостей и тканей, как неонкологической природы (например, сахарный диабет, мочекаменная болезнь и др.), так и онкологические заболевания - злокачественные опухоли головного мозга, молочной железы, ЖКТ и др. С каждым годом арсенал исследуемых заболеваний интенсивно расширяется в связи с широким интересом ученых к ИК-спектроскопии.
Инфракрасная спектроскопия (ИК-спектроскопия) - раздел молекулярной оптической спектроскопии, изучающий спектры поглощения и отражения электромагнитного излучения в ИК-области, т.е. в диапазоне длин волн от 10-6 до 10-3 м. В координатах «интенсивность поглощенного излучения—длина волны (или волновое число) в диапазоне 10—4000 см-1)» ИК-спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов. Спектральные характеристики (положения максимумов полос, их полуширина, интенсивность) индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих ее атомов, строения, особенностей межатомных сил, распределения заряда и др. Поэтому ИК-спектры отличаются высоким уровнем индивидуальности, что и определяет их ценность при идентификации и изучении строения соединений (особенно органических). В целом ИК-спектры характеризуют энергетическое состояние молекул, касающееся, в первую очередь, колебательных и вращательных движений ядер атомов и молекул. Поэтому их часто называют молекулярными спектрами, а метод относят к нанотехнологиям.
Область волновых чисел 1400—700 см-1 используют для идентификации веществ, причем любые два вещества могут быть признаны идентичными, если их ИК-спектры в этой области полностью совпадают во всех деталях. Поэтому данную область спектра органических веществ (в том числе и входящих в состав биологических жидкостей и тканей) называют дактилоскопической («фингерпринт»). Экспериментальные исследования большого числа молекул, обладающих одними и теми же химическими группами, показали, что независимо от изменений в остальных частях молекулы эти одинаковые группы поглощают энергию в узком интервале частот. Такие частоты получили название характеристических или групповых. К ним относятся, например, колебания групп С-Н, СH2, CH3, O-H, N-H, NH2, C=C, C=O, NO2, P=O, P-O-P и др. Таким образом, любое индивидуальное органическое вещество или смесь веществ имеют свои собственные неповторимые ИК-спектры, которые могут быть интерпретированы как качественно, так и количественно.
Для регистрации ИК-спектров используют классические оптические спектрофотометры и Фурье-спектрофотометры. Основными частями классического спектрофотометра являются источник непрерывного теплового излучения, монохроматор и неселективный приемник излучения.
Кювету с веществом (в любом агрегатном состоянии) помещают перед входной (иногда за выходной) щелью. Выходной сигнал имеет вид обычной спектральной кривой, регистрируемой либо непосредственно компьютерной системой, либо на бумажном носителе различных типов. Достоинствами приборов классической схемы являются простота конструкции, доступность, высокая воспроизводимость результатов и относительная дешевизна.
Все спектрофотометры снабжаются ЭВМ, которые производят первичную обработку спектров: накопление сигналов, отделение их от шумов, вычитание фона и спектра сравнения (спектра растворителя и материала кюветы), изменение масштаба записи, вычисление экспериментальных спектральных параметров, сравнение спектров с заданными, дифференцирование спектров и т.д. Кюветы для ИК-спектрофотометров изготовляют из прозрачных в ИК-области материалов. В качестве растворителей используют обычно CCl4, CHCl3, тетрахлорэтилен, вазелиновое масло. Образцы для исследования методом ИК-спектроскопии тщательно обезвоживают, так как вода разрушает солевую оптику и другие детали многих спектрофотометров.
Метод ИК-спектроскопии широко используется в экспериментальной органической химии с середины прошлого века. Однако в медицинских исследованиях он практически не применялся в связи с необычайной сложностью состава и строения биологических структур.
В настоящее время особый интерес у исследователей вызывает ИК-спектроскопия биологических жидкостей и тканей, таких как кровь, лимфа, слюна и др.
Так, например, ИК-спектроскопия позволяет выявить весь спектр веществ в сыворотке крови, содержащих связи Р-О и С-О, связи простые и сложноэфирные С-ОО, Р-ОО, к которым относятся все липиды, фосфорилированные белки, углеводы, нуклеозидмоно, -ди, трифосфаты, креатинфосфокиназа и другие соединения, располагающиеся в диапазоне волновых чисел 1200-800 см-1 ИК-спектра.
Такой подход основан на следующих фактах:
1. Изменениям организма на клеточном, а затем и на органном уровне должны предшествовать изменения химического состава биологических структур жидкостей и тканей, вызванные определенным «пусковым» сигналом (физическими, в том числе электромагнитными, химическими, биологическими, в том числе бактериологическими, вирусными и другими воздействиями).
2. Кровь проходит через все органы и ткани, получает и идеально отражает динамику изменений химической ситуации тела, причем сыворотка крови депонирует всю информацию об уровне и состоянии адаптации организма при любых внешних воздействиях в виде количественных концентрационных отношений химических веществ-метаболитов.
3. Живой организм — гармоничная система органов и тканей, в которых постоянно реализуются блоки параллельных и последовательных химических превращений многих тысяч сложнейших и сравнительно простых соединений — метаболитов.
4. Концентрации химических соединений в здоровых органах и тканях (в том числе и крови) или здоровом организме в целом количественно, а иногда и качественно не равны их концентрациям в патологическом состоянии. Эти концентрации создают определенный суммарный уровень (фон) электромагнитных колебаний в инфракрасных спектрах поглощения биологических жидкостей и тканей (в том числе и крови).
5. Отдельные патологические состояния органа, ткани или организма в целом смещают динамическое равновесие основных метаболитов крови в разной степени и на разную глубину, что влечет за собой соответствующие изменения относительных фоновых значений параметров инфракрасных спектров крови. Суммарные изменения абсолютных и относительных концентраций веществ (а следовательно, и соответствующих фоновых значений параметров инфракрасных спектров крови) и в этих псевдоравновесных химических состояниях зависят от степени, тяжести и вида заболевания, пола и возраста больного.
6. Изменения концентраций химических соединений и фоновых параметров спектров крови имеют место как в случае инфекционных заболеваний, вызванных вирусами или бактериями, так и в случаях органических патологических изменений или механических повреждений органов и тканей.
7. При наличии современных инфракрасных спектрофотометров, вычислительной техники, пакета специальных компьютерных программ и соответствующего ретроспективно стопроцентно верифицированного известными клиническими методами банка относительных фоновых значений инфракрасных спектров крови в норме и при различных патологиях становится возможной разработка способа диагностики заболеваний, в том числе и онкологических.
ИК-спектроскопия не только позволяет выявлять наличие заболевания, но и помогает успешно дифференцировать заболевания между собой (онкология/не онкология) и даже оценивать эффективность проводимых терапевтических мероприятий, что особенно важно для пациента и врача, например, в послеоперационном периоде, когда необходимо и есть возможность скорректировать лечение.
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки