Биомедицинские приложения спектроскопии

Многие приложения для биомедицинских исследований используют естественный отклик флуоресценции аминокислот, основных строительных блоков всех белков. Эти белковые флуоресцентные реакции на свет использовались во всем, от фармацевтического производства до лечения рака и даже защиты от биологического оружия. Изучение этой ниши биомедицинской спектроскопии – это погружение в самую суть передовой науки. Спектроскопия – важная технология, которая делает возможными эти и многие другие биомедицинские приложения. Avantes, лидер в разработке высокочувствительных спектрометров с высоким разрешением.

Обнаружение и идентификация белков

Белки и аминокислоты

Белки, сложные органические соединения, состоящие из цепочек аминокислот, являются самой распространенной органической молекулой среди всех живых существ на Земле. Эти молекулы играют множество ролей в клетках и организмах. Они действуют как катализаторы биохимических реакций, как гормоны, регулируют физиологические процессы и защищают организм от болезней. Многие из этих белков обладают слабой собственной флуоресцентной реакцией на УФ-возбуждение, при этом разные белки реагируют на возбуждение на определенных длинах волн и флуоресцируют на разных длинах волн в зависимости от вида.

Молекулярная структура

Три распространенные аминокислоты – триптофан, тирозин и альбумин, которые отвечают за большую часть собственной флуоресценции, имеют общую кольцевую структуру на основе водорода. Эти кольцевые структуры, называемые ароматическими гидроксильными группами, поглощают УФ-излучение и излучают слабый флуоресцентный сигнал на различных длинах волн.

Аминокислотные соединения имеют разный профиль поглощения, испускания и квантовый выход. Также они могут реагировать друг на друга, изменяя спектральный профиль; присутствие триптофана, например, будет гасить флуоресцентный сигнал тирозина из-за резонансной передачи энергии с аналогичной длиной волны возбуждения. Триптофан можно возбуждать на длине волны 280 нм, а тирозин - на длине волны 274 нм. Однако флуоресцентный ответ значительно отличается; триптофан флуоресцирует при 348 нм, а ответ тирозина можно обнаружить при 303 нм. С другой стороны, альбумин при возбуждении на длине волны 257 нм будет флуоресцировать на длине волны 282 нм.

Поскольку эти аминокислоты распространены во всей жизни на Земле и являются общими строительными блоками для многих более сложных белков, реакции этих аминокислот часто используются в качестве репрезентативного образца для сложных белков в исследовательских приложениях. Изменения реакции также можно отслеживать как функцию управления процессом.

Рисунок 1. Ароматическая альфа-аминокислота триптофан

Рисунок 2. Ароматическая альфа-аминокислота тирозин

Флуоресцентный отклик

Существует длинный список применений флуоресценции в биомедицинских и медико-биологических областях, и часто можно найти оборудование Avantes на переднем крае новых научных рубежей.

Способ для борьбы с раком

Спектроскопия оказалась неоценимой в борьбе с раком. Стандартом для обнаружения рака легких является использование автофлуоресцентной бронхоскопии, при которой узкий зонд вводится через рот пациента в верхнее бронхиальное дерево. Было доказано, что автофлуоресценция намного более чувствительна, чем бронхоскопия в белом свете при обнаружении карцином или диспластических поражений; однако она также показывает ложные результаты. Исследователи из Департамента респираторных заболеваний в Роттердаме, Нидерланды, исследовали использование оптической спектроскопии поглощения / отражения для повышения специфичности без потери чувствительности.

Команда использовала специально разработанный зонд для подачи через канал бронхоскопа 2,8 мм с волоконными источниками света. Ткань слизистой оболочки облучали светом от широкополосного вольфрам-галогенового источника (предшественник AvaLight-HAL-S-Mini) и калиброванным голубым лазером до 407 нм через оптоволокно. Длина волны пика излучения для автофлуоресценции здоровой ткани составляла 500 нм. Полученные в результате отражательные и флуоресцентные спектры были собраны с помощью многоканальной спектрометрической установки Avantes, эквивалентной двум параллельным AvaSpec-ULS2048CL-EVO.

Область с аномальным профилем флуоресценции может быть быстро нацелена на дополнительные спектральные измерения, которые могут быть получены менее чем за 1 секунду. Больная ткань показывала значительно более низкую интенсивность излучения на более коротких длинах волн по сравнению со здоровыми тканями. Комбинированная автофлуоресцентная визуализация и оптическая спектроскопия отражения значительно улучшили положительную прогностическую ценность по сравнению с одной только автофлуоресценцией без ущерба для чувствительности.

Длины волн возбуждения и флуоресценции при 407 и 500 нм соответственно находятся в диапазоне 360-600 нм, в котором кровь является первичным поглотителем. Это действительно создает проблему для этого приложения, но эта проблема не является непреодолимой. Исследователи были уверены, что модифицированный бронхоскоп с дополнительными волокнами можно использовать во время стандартной процедуры бронхоскопии.

Рисунок 3. Врач-онколог проводит автофлуоресцентную бронхоскопию легких

Обнаружение инфицированных белков

Исследования последнего десятилетия показали, что обычных методов стерилизации, включая термические и химические процессы, недостаточно, чтобы гарантировать полную инактивацию всех патогенных биомолекул, особенно белков. Это серьезная проблема в хирургических учреждениях, где обеззараживание обычно многоразовых медицинских инструментов, таких как скальпели, может напрямую повлиять на уход за пациентом.

Один класс белков вызывает особую озабоченность. Прионы – это белки, которые «неправильно» свернуты, что проявляется при смертельных неврологических дегенеративных заболеваниях, таких как человеческий вариант коровьего бешенства, называемого болезнью Крейтцфельда-Якоба, Куру и фатальной семейной бессонницей. Хотя эти заболевания редки, они вызваны инфекционными белками, которые передают свои неправильные схемы сворачивания новым белкам эпидемиологически сходным образом с вирусной инфекцией. Поскольку белки представляют собой соединение, наиболее устойчивое к современным методам обеззараживания, передача этих «заразных» неврологических заболеваний представляет серьезную опасность.

Новый исследуемый метод обеззараживания требует разряда индуктивно связанной плазмы низкого давления. Спектроскопические инструменты используются для управления технологическим процессом и мониторинга результатов испытаний.

Рисунок 4. Особый класс инфекционных патогенов, не нуклеиновые кислоты – прионы

Обнаружение опасных биологических соединений

Исследователи из Шведского агентства оборонных исследований изучают возможность использования флуоресцентной спектроскопии в качестве первой линии обнаружения в системах обнаружения биоаэрозолей. Из-за опасной природы самих боевых биологических агентов в испытаниях используются тирозин и триптофан – аминокислоты, которые могут входить в состав любого биологического агента. Идеальная система могла бы отслеживать мельчайшие концентрации частиц в режиме реального времени и идентифицировать присутствующие соединения с высокой степенью специфичности.

Система, тестируемая шведскими исследователями, заставляет окружающий воздух через сопло ограничиваться одиночным пучком частиц и проходить через оптическую камеру. Использование непрерывного синего лазера на длине волны 404 нм, принимаемого спектрометром Avantes, действует как триггер. На этом этапе анализируются флуоресценция и рассеяние. Когда соединение присутствует на заранее определенных уровнях обнаружения, оно запускает импульсный УФ-лазер с длиной волны 263 нм. Получающаяся в результате флуоресценция, индуцированная лазером, может быть дополнительно проанализирована для классификации отдельных аэрозольных частиц.

Рисунок 5. Шведский инженер рядом с системой обнаружения биоаэрозолей

© Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ