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