Главная / Библиотека / Биофотонные методы функционального мониторинга осложнений сахарного диабета (продолжение)

Биофотонные методы функционального мониторинга осложнений сахарного диабета (продолжение)

Теги биофотоника терагерцовая визуализация рамановская спектроскопия биомедицина
Биофотонные методы функционального мониторинга осложнений сахарного диабета (продолжение)

Оптическая когерентная томография

Оптическая когерентная томография (ОКТ) нашла широкое применение в диагностике осложнений сахарного диабета (СД). Этот метод основан на низкокогерентной интерферометрии и позволяет получить изображение поперечного сечения исследуемой ткани. Он может обеспечить двух- или трехмерное изображение ткани путем измерения задержки эха и интенсивности обратно отраженного излучения (аналогично B-сканированию в УЗИ). 

В исследованиях, проведенных с помощью ОКТ с разрешением по времени (РВ-ОКТ), было показано, что у пациентов с диабетом в целом не наблюдается различий в толщине сетчатки по сравнению со здоровой контрольной группой. В то же время исследования с использованием спектральной ОКТ (С-ОКТ) показали различия в толщине некоторых слоев клеток между больными диабетом без видимых признаков ДР и здоровой контрольной группой; в частности, различие наблюдалось для слоя фоторецепторов. Кроме того, показана зависимость этого параметра от длительности заболевания.

Недавние исследования с достижениями в С-ОКТ выявили значительные изменения в ядрах и дендритах ганглиозных клеток сетчатки у пациентов с диабетом. Удивительно, но истончение этих структур обнаружено не только у пациентов с далеко зашедшими стадиями ДР, но и у тех, у кого нет признаков осложнений. Более поздние исследования связывают изменения в структуре нервных тканей сетчатки с развитием диабетической нейропатии, а не ретинопатии.

Одним из перспективных направлений диагностики нарушений микроциркуляции в офтальмологии является использование оптической когерентной томографической ангиографии (ОКТА). Метод производит многочисленные В-сканы сетчатки, позволяющие визуализировать сосудистую систему путем регистрации изменений интенсивности или фазы ОКТ-сигнала, возникающих в результате движения крови. На рисунке 1 представлены результаты измерения ретинальной перфузии с помощью ОКТА контрольной группы и больных сахарным диабетом с различными стадиями ДР.

8

Рисунок 1. Серия цветных фотографий глазного дна (верхний ряд), ОКТ-ангиограммы (средний ряд) и цветные карты сосудистой перфузии (нижний ряд), демонстрирующие изменения плотности перфузии, наблюдаемые по мере прогрессирования диабетической ретинопатии (непролиферативная диабетическая ретинопатия – НПДР; пролиферативная диабетическая ретинопатия – ПДР). Воспроизведено с разрешения издательства Springer Nature

Метод ОКТ также широко используется для оценки заживления ран. Было проведено несколько экспериментов с лабораторными животными, а также исследования ожогов. Однако подобных исследований диабетических ран не обнаружено. Проведен ряд исследований по оценке концентрации различных веществ с помощью ОКТ, в том числе по оценке содержания глюкозы и гликированного гемоглобина в растворах и оптических фантомах. Изучено изменение оптических свойств крови после добавления глюкозы.

Конфокальная микроскопия

Метод конфокальной микроскопии роговицы (КМР) широко используется для оценки изменения состояний здоровых и больных глаз. Методика позволяет изучить архитектуру роговицы под большим увеличением для оценки роговичных нервов и диагностики осложнений СД. Принцип основан на конфокальной оптике, ограничивающей область наблюдения одной точкой. При исследовании группы больных сахарным диабетом с использованием данной технологии была обнаружена корреляция между снижением плотности нервных волокон и тяжестью нейропатии. Кроме того, было показано, что нервные волокна диабетиков более извиты, что обратно коррелирует с тяжестью диабетической невропатии (рис. 2). 

9

Рисунок 2. Изображения конфокальной микроскопии роговицы, полученные для: (A) здорового добровольца (с типичным четким внешним видом, плотностью, легкой извилистостью и приемлемым ветвлением) и (B) пациентов с диабетом с тяжелой диабетической невропатией, показывающих одну ветвь, отходящую от основного нервного ствола в нижней части кадра. Воспроизведено с разрешения издательства Elsevier

Рамановская спектроскопия

Рамановская спектроскопия основана на неупругом рассеянии монохроматического света веществом, что приводит к переносу энергии и молекулярным колебаниям. Этот метод обеспечивает высокоспецифичный зонд с уникальным химическим отпечатком молекул. Метод нашел широкое применение в фармакологии, микробиологии и биологии человека. В онкологии проведено значительное количество исследований. Показана способность метода выявлять различия в крови и сыворотке больных сахарным диабетом и здоровых лиц по спектрам глюкозы, липидов, аминокислот лейцина и изолейцина. 

Особый интерес представляют исследования в области неинвазивной оценки накопления КПГ с помощью рамановской спектроскопии. Комбинация методов была предложена для неинвазивной диагностики диабета или прогнозирования риска диабета (рис.3).

10

Рисунок 3. Рамановские спектры кожи. Воспроизведено с разрешения издательства John Wiley and Sons

В другом исследовании переносной рамановский спектрометр использовался для неинвазивного скрининга пациентов с диабетом 2 типа. Используя машинное обучение и анализ основных компонентов, авторы смогли различить диабетические и контрольные группы с точностью от 88,9% до 90,9%, в зависимости от области измерения. Системы рамановской спектроскопии обычно оснащены лазерами непрерывного действия с длиной волны возбуждения 532 или 785 нм.

Терагерцовое излучение

Терагерцовая импульсная спектроскопия и визуализация используют электромагнитное излучение в диапазоне частот от 0,1 до 10 ТГц (с длиной волны 0,3-3 мм). Этот частотный диапазон находится между инфракрасным и микроволновым диапазонами и позволяет проводить неинвазивную диагностику биологических тканей. ТГц-визуализация высокочувствительна к содержанию воды в тканях, поэтому нашла применение в областях медицины, связанных с оценкой гидратации биотканей. Её тестировали при раке кожи, легких, груди и других типах рака, а также при оценке тяжести ожогов и заживлении ран.

Используя визуализацию терагерцового отражения, исследование выявило значительно сниженный уровень гидратации тканей стопы у пациентов с диабетом по сравнению со здоровыми людьми. Данная методика предложена в качестве потенциального метода скрининга (рис. 4). 

11

Рисунок 4. Терагерцевые изображения типичного члена контрольной группы (А) и диабетической группы (В). Объемная доля воды для контрольной группы и членов диабетической группы: (C) усредненная по подошве стопы, (D) в центре большого пальца, (E) в центре пятки. Каждая точка представляет исследуемый объект

Другие методы

Проведено большое количество исследований в лабораторных условиях по изменению оптических свойств биологических тканей под влиянием гликирования. Поскольку данный обзор посвящен неинвазивным методам оценки нарушений, возникающих при СД, не будем подробно останавливаться на них, а лишь перечислим некоторые. С помощью рефрактометрии оценивали изменения свойств эритроцитов и растворов гемоглобина больных СД. Было предложено использовать эти измерения для оценки концентрации гликозилированного гемоглобина.

При исследованиях биоптатов кожи методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) были показаны изменения механических свойств коллагена у пациентов по сравнению с контрольной группой. 

Методом оптико-акустической спектроскопии были проведены измерения концентрации глюкозы в водных растворах и накопления КПГ в образцах кожи свиней, подвергнутых гликированию в растворе рибозы. 

Фотоакустическая (оптико-акустическая) томография (ФАТ) широко используется для анализа сосудистых нарушений при ЗПА и имеет потенциал в диагностике сосудистых функций (на примере изменений, возникающих при артериальной и венозной окклюзии).

Диффузионная оптическая томография (ДОТ) использовалась в исследованиях ФАТ и для оценки качества заживления диабетических язв. Методика основана на зондировании ткани светом нескольких длин волн в красном и инфракрасном диапазонах с последующим восстановлением двух- и трехмерных карт оксигенации тканей и объема крови. Исследования показали, что существуют различия в изменениях концентрации гемоглобина в здоровой контрольной группе и группой пациентов с ФАТ. Считается, что ДОТ может помочь в диагностике и лечении заболеваний диабетической стопы, предоставляя информацию о распределении кровотока в наиболее пораженных участках. 

Заключение

Оптические неинвазивные диагностические технологии перспективны в изучении осложнений диабета и имеют большой потенциал для клинической оценки. С помощью методов биофотоники можно оценивать состояние микроциркуляторного русла, отслеживать изменения иннервации тканей и диагностировать эффективность терапии сахарного диабета. Различные спектроскопические и визуализирующие методы позволяют оценить такие параметры, как кровоснабжение тканей, степень насыщения кислородом, наличие и концентрацию различных хромофоров, а также оценить изменения в структуре и функционировании различных систем организма.

Последние достижения в оптической неинвазивной диагностике осложнений сахарного диабета предполагают более широкое внедрение оптических технологий в клиническую практику в ближайшем будущем. Предполагаем, что такие технологии, как гиперспектральная, флуоресцентная и спекл-контрастная томография, наиболее близки к широкому внедрению в клиническую практику и уже могут быть использованы в работе лечащего врача. Также большой потенциал имеет сочетание нескольких технологий биофотоники для многопараметрической диагностики, но все описанные технологии требуют дальнейших исследований с тщательной апробацией.

 

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования рамановской спектроскопии, источников ТГц излучения и конфокальной микроскопии на территории РФ

Online заявка

Теги биофотоника терагерцовая визуализация рамановская спектроскопия биомедицина
Новые статьи
Характеристика свойств субхондральной кости человека с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК)

Дегенеративные заболевания суставов часто характеризуются изменениями свойств суставного хряща и субхондральной кости. Эти изменения часто связаны с толщиной субхондральной пластинки и морфологией трабекулярной кости. Таким образом, оценка целостности субхондральной кости может дать важные сведения для диагностики патологий суставов. В данном исследовании изучается потенциал оптической спектроскопии для характеристики свойств субхондральной кости человека. Образцы остеохондральной кости (n = 50 – количество образцов) были извлечены из коленного сустава трупа человека (n = 13) в четырех анатомических точках и подвергнуты БИК-спектроскопии(в ближней инфракрасной области). Затем образцы были исследованы с помощью микрокомпьютерной томографии для определения морфометрических характеристик субхондральной кости, включая: толщину пластинки (Sb.Th), толщину трабекул (Tb.Th), объемную долю (BV/TV) и индекс модели структуры (SMI). Связь между свойствами субхондральной кости и спектральными данными в 1-м (650 - 950 нм), 2-м (1100 - 1350 нм) и 3-м (1600-1870 нм) оптических окнах была исследована с помощью многомерного метода частичных наименьших квадратов (PLS) регрессии. Значимые корреляции (p < 0.0001) и относительно низкие ошибки прогнозирования были получены между спектральными данными в 1-м оптическом окне и Sb.Th (R2 = 92.3%, ошибка = 7.1%), Tb.Th (R2 = 88.4%, ошибка = 6.7%), BV/TV (R2 = 83%, ошибка = 9.8%) и SMI (R2 = 79.7%, ошибка = 10.8%). Таким образом, БИК-спектроскопия в 1-м тканевом оптическом окне способна характеризовать и оценивать свойства субхондральной кости и потенциально может быть адаптирована во время артроскопии.

Моделирование нервного волокна на основе оптического волновода

Миелинизированные аксоны являются многообещающими кандидатами для передачи нервных сигналов и света ввиду их волноводных структур. С другой стороны, с появлением таких заболеваний, как рассеянный склероз и нарушений формирования и передачи нервных сигналов из-за демиелинизации, понимание свойств миелинизированного аксона как волновода приобретает большую важность. Настоящее исследование направлено на то, чтобы показать, что профиль показателя преломления (ПП) миелинизированного аксона играет существенную роль в передаче лучей в нем. 

Оптимизация обнаружения сверхслабых световых потоков

В ходе исследования, описанного в данной статье, были объединены статистическая модель, анализ шумов детектора и эксперименты по калибровке. Согласно результатам, видимый свет может быть обнаружен с помощью ПЗС камеры с электронным умножителем с соотношением сигнал/шум, равным 3, для потоков с количеством фотонов менее 30 фотонов с−1 см−2.

Диагностика импульсного плазменного потока

Импульсные плазменные потоки в плазменных ускорителях широко используются для решения ряда научных и практических задач. Особый интерес среди применений импульсных плазменных потоков представляют термоядерный синтез и астрофизические исследования, например, экспериментальное исследование взаимодействия импульсного плазменного потока с материалами.

Полные высокопроизводительные настольные системы сканирования HSI PUSH-BROOM

Применение гиперспектральной визуализации заметно расширилось за последние годы. Тем не менее, остается общая проблема, а именно: предоставление полного интегрированного решения для фиксации 2-D гиперспектральных изображений в компактном настольном формате, которое предоставляет подробную спектральную информацию для определения компонентов, количества и их распределения в плоскости сканирования.

Автофлуоресцентная микроскопия — идентификация бактериальных сигналов на образцах горных пород
Распространенным методом обнаружения микробов в жидких и нежидких образцах является окрашивание флуоресцентными красителями, при котором образцы окрашиваются флуорофором, возбуждаемым фотонами от источника света. Флуорофоры — это молекулы, которые проявляют флуоресценцию, и могут быть биомолекулами естественного происхождения (в этом случае флуоресценция называется автофлуоресценцией), флуоресцентными красителями (синтезированными молекулами) или минералами. Конкретные применения красителей включают обнаружение и перечисление бактерий, визуализацию экспрессии генов и обнаружение биомолекул, которые иначе невозможно было бы отследить.
У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б

г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3