Нанодиагностика

Человек познает сам себя в той мере, в какой он познает мир

Гете Иоганн Вольфганг

ИКС СК Диагностика

Инфракрасная спектроскопия сыворотки крови (ИКС СК)

–уникальный, не имеющий мировых аналогов, высокоточный метод скрининг и дифференциальной диагностики заболеваний.

        «Организм здорового человека находится в состоянии количественного равновесия всех химических веществ – метаболитов и подобен уравновешенным весам. Любое заболевание смещает химическое равновесие в ту или иную сторону, причем каждое заболевание имеет свое индивидуальное количественное соотношение веществ. Эти относительные концентрации веществ успешно определяются методом инфракрасной спектроскопии сыворотки крови (ИК СК), благодаря чему с помощью компьютерных «образов болезней» в дву- или трехмерном пространстве осуществляется точная дифференциальная диагностика многих онкологических, инфекционных и других заболеваний.»

                                                          А.С.Гордецов (д.х.н.. проф., зав.каф. общей химии НижГМА)

Живой организм – гармоничная система органов и тканей, в которых постоянно реализуются блоки параллельных и последовательных химических превращений тысяч и тысяч сложнейших и сравнительно простых соединений – метаболитов.

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  на  любые  внешние      воздействия в виде количественных концентрационных отношений  химических  веществ-метаболитов.

Изменениям организма на клеточном, а затем и на органном уровне предшествуют изменения  химического состава биологических жидкостей и тканей, вызванные определенным «пусковым» сигналом (физическими, в т.ч. электромагнитными; химическими; биологическими, в т.ч. бактериологическими, вирусными, и другими воздействиями).

           Инфракрасная спектроскопия (ИК спектроскопия) – раздел молекулярной оптической спектроскопии,

Молекулярные-спектрыизучающий спектры поглощения и отражения электромагнитного излучения в длинноволновой ИК области спектра (>730 нм за красной границей видимого света), т.е. в диапазоне длин волн от 10-6 до 10-3 м [1]. В ИК-области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул, которые возникают в результате поглощения ИК-излучения при прохождении его через вещество. Это поглощение носит селективный характер и происходит на тех частотах, которые совпадают с некоторыми собственными частотами колебаний атомов в молекулах вещества и с частотами вращения молекул как целого. В результате интенсивность ИК-излучения на этих частотах резко падает — образуются полосы поглощения.

Полосы-поглощенияВ координатах интенсивность поглощенного излучения – длина волны (или волновое число, диапазон 10-4000 см -1, частоты колебательных переходов 3×1011 – 1014 Гц) ИК спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов.

ИКС

Полосы поглощения появляются в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния изучаемой системы. Спектральные характеристики (положения максимумов полос, их полуширина, интенсивность) индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих ее атомов, геометрического 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).

Опт.-Плотность

         В целом ИК спектры характеризуют энергетическое состояние молекул, касающееся, в первую очередь,  колебательных и вращательных движений ядер атомов и молекул.

Например легкие атомы водорода (Н) (радиус атома всего 0,053 нм) в группе СН2,  часто встречающейся в органических соединениях могут колебаться  шестью различными способами относительно более тяжелого атома углерода (С):

Вместе-по-3

Поэтому ИК спектры часто называют молекулярными спектрами, а метод относят к нанотехнологиям (например, размер молекулы гемоглобина – 0,4 нм).

В области 1400 – 700 см-1 ИК спектры многих органических молекул настолько сложны, что отнесение всех абсорбционных полос к отдельным элементам строения вызывает значительные трудности даже при наличии обширного экспериментального материала [2].

Интенсивность-поглощенияЭту область 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, входящих и в состав биологических жидкостей и тканей) называют дактилоскопической («фингерпринт») (fingerprint) [2,3].

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 [4,5].

СвязьСвязь-2

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., основные частоты которых приведены, например в [5].

КолебанияНаличие характеристических частот вызвано тем, что в таком колебании наибольшее участие  принимает некоторая группа атомов, а вклад остальной части молекулы мал, хотя, строго говоря, в каждом колебании изменяются длины связей и величины углов между ними. Таким образом, любое индивидуальное органическое вещество или смесь веществ имеют свои собственные неповторимые ИК спектры, которые могут быть интерпретированы как  качественно, так и количественно. Погрешность количественного анализа, как правило, составляет доли процента.

Инфракрасный-спектр-водки

Инфракрасная спектроскопия позволяет идентифицировать пространственные и конформационные изомеры, изучать внутри- и межмолекулярные взаимодействия, характер химических связей, распределение зарядов в молекулах, фазовые превращения, кинетику химических реакций, регистрировать короткоживущие (время жизни до 10-6 с) частицы, уточнять отдельные геометрические параметры, получать данные для вычисления термодинамических функций и др. Необходимый этап таких исследований — интерпретация спектров, т.е. установление формы нормальных колебаний, распределения колебательной энергии по степеням свободы, выделение значимых параметров, определяющих положение полос в спектрах и их интенсивности.  Для регистрации ИК спектров используют классические                                   ИК-спектрофотометры  и фурье-спектрометры.

По инфракрасным спектрам поглощения можно установить строение молекул различных органических (и неорганических) веществ: антибиотиков, ферментов, алкалоидов, полимеров, комплексных соединений и др. Так, методом ИК спектроскопии впервые удалось определить структуру пенициллина, в то время, как другими методами этого не удавалось сделать. В 1949 г в Раковом институте Нью-Йорка тем же методом были систематизированы соединения стероидного ряда, затем появились работы по ИК спектрам кератина [6].

Метод ИК спектроскопии широко используется в экспериментальной органической химии с середины прошлого века по настоящее время. Однако в медицинских исследованиях он практически не применялся в связи с необычайной сложностью состава и строения биологических структур. Так, для молекулы, содержащей всего 50 атомов, уже имеется 144 частоты нормальных колебаний. Поэтому имеется лишь сравнительно небольшое количество научных работ, посвященных изучению и интерпретации  ИК спектров биологических жидкостей и тканей.

Все сказанное выше делает ИК-диапазон наиболее подходящей областью электромагнитного спектра для изучения количественно-качественных соотношений различных биомолекул в их сложных смесях. Уникальная возможность различать в ИК диапазоне даже изомеры биомолекул и регистрировать отдельные атомные группировки в составе практически любых соединений делает ИКС незаменимой для исследования таких сложных сред, как, например, сыворотка крови.

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 (ИКС) поглощения биологических жидкостей и тканей (в том числе и крови).

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 (ИКС) крови,

ИК-спектры

Суммарные изменения абсолютных и относительных концентраций веществ (а, следовательно, и соответствующих фоновых значений параметров инфракрасных спектров ИКС крови) и в этих псевдоравновесных химических состояниях зависят от степени, тяжести и вида заболевания, пола и возраста больного,

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,

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 различных патологиях становится возможным создание соответствующих «образов здоровья и патологий» в двумерном

2d

или трехмерном пространстве.

3d

Задача построения «образов болезней» решается путем вычисления математических рядов частных от деления друг на друга оптических плотностей или высот определенных  полос поглощения в инфракрасных спектрах сыворотки крови с последующим выбором диагностически значимых параметров,

Образы-болезней

 

Суммарное математическое выражение относительных фоновых значений инфракрасного спектра сыворотки  крови пациента превращается в одну точку в двух-, трех- или n-мерном пространстве, где осями координат служат отношения высот пиков аналитических полос поглощения. Если эта точка укладывается в графически выраженную группу здоровья, с помощью компьютера делается вывод о том, что болезнь отсутствует. Если же индивидуальный показатель пациента входит в плоский или  пространственный «образ болезни», то делается вывод о форме и степени  тяжести заболевания.  В зависимости от поставленной задачи применяются разные формы математического и графического сопровождения результатов анализа. Это могут быть числовые ряды, группы отношений, диаграммы, плоские фигуры, округлые объемные тела или объемные многогранники. Возможны и другие способы математической обработки. В настоящее время работа успешно продолжается.

Мы предлагаем первое и на настоящий момент уникальное в мировой практике применение возможностей метода ИКС для диагностики заболеваний человека. (Приоритет от 19 мая 1987 года научного открытия 01.03.2010 года, рег.№ 492.  по дате изобретения «Способ диагностики рака легкого» патент РФ№1489373).

Диплом 391

Метод является плодом 30 летних  научных изысканий коллектива под руководством профессора, действительного члена Нью-Йоркской и члена-корреспондента Евро-Азиатской  академий наук Гордецова А.С.  Применение современных методов математического анализа на репрезентативной выборке из более чем 20 000 пациентов с верифицированными диагнозами позволило добиться показателей диагностической информативности:

— точность 91-97%,

— чувствительность 85-97%,

— специфичность 91-97%.,

сравнимых с таковыми для методов, основанных на молекулярной гибридизации (например, иммунохимический анализ). Важно отметить, что некоторые патологические состояния/стадии заболеваний в настоящее время могут быть выявлены или отдифференцированы только методом ИКС сыворотки крови; в ряде других случаев, диагностической альтернативой методу ИКС сыворотки крови являются сложные и дорогостоящие методы исследования.

Метод позволяет выявить заболевания практически в любой, в том числе и самой ранней, стадии развития, когда патологические изменения еще не улавливаются другими способами.

Подготовка материала для проведения ИКС сыворотки крови.


          Кровь из вены забирают в количестве 5-10 мл. Полученную кровь подвергают центрифугированию с частотой 1500 об/мин в течение 10 минут. Отделенную сыворотку в количестве 1,5-3 мл выливают в  чашку Петри и высушивают при 25°С в течение 24 часов. Затем материал помещают в идеально чистую герметично закрытую тару. В таком виде материал может храниться и/или транспортироваться в течение 12 месяцев при 25°С.

Проведение ИКС СК.

Полученные образцы подвергают дальнейшей обработке и выполняют ИКС на стандартных ИК-спектрометрах или Инфракрасных Фурье-спектрометрах. Полученные результаты обрабатывают с помощью авторских программ, которые вычисляют «образы болезней», например:

ИК-спектроскопические «образы» сыворотки крови:

Образы сыворотки кровиБолее подробно методика анализа описана в публикациях и патентах.

 

Высокая диагностическая информативность в сочетании с простотой получения и подготовки для анализа диагностического материала (сыворотки крови) делает метод ИКС сыворотки крови методом выбора в диагностике (особенно ранней и скрининговой) и дифференциальной диагностике ряда заболеваний:

1.Диагностика патологии внутренних органов «здоров-болен» (в том числе при бессимптомном течении болезни).

 

  1. Диагностика наличия/отсутствия онкопроцесса. (Патент РФ № 2117289 от 10.08.98)
  2. Диагностика заболеваний головного мозга:

3.1. Дифференциальная диагностика доброкачественных, злокачественных   новообразований и травм мозга; (Патент РФ №  2253869 от 10.06.05, Патент РФ № 2350953 от 27.03.09.)

3.2. Дифференциальная диагностика инсультов.

рис5

  1. Дифференциальная диагностики гипертонических и гипертензивных состояний. (Патент РФ № 2261442 от 27.09.05.)
  2. Дифференциальная диагностика заболеваний миокарда. (Патент РФ № 2140639 от 27.10.99., Патент РФ № 2213968 от 10.10.03.)

рис3

Контроль  состояния сердечной мышцы до и после нагрузки.

Определение периода рабилитации после операций и других воздействий на сердце.

 

  1. Дифференциальная диагностика заболеваний легких:

6.1.Рак легких; (Патент РФ № 1489373 от 04.12.95., Патент РФ № 2121679 от 10.11.98 )

6.2.Туберкулез легких; (Патент РФ № 2327990 от 27.06.08.)

6.3. Неспецифические заболевания легких. (Патент РФ № 2161803 от 10.01.01.)

Заболевания

6.4. Диагностика бронхиальной астмы (Патент РФ № 2372621 от 10.11.09.)

7.Определение медикаментозного воздействия на организм (в т.ч. БАД, допингов и т.д.).

8.Диагностика заболеваний системы крови, в т.ч. лейкозов (Патент РФ №  2210772 от 20.08.03 )  и гемобластозов.

  1. Дифференциальная диагностика патологий молочной железы. (Патент РФ № 2249216 от 27.03.05.)

10.Дифференциальная диагностика патологии женской половой сферы.

11.Дифференциальная диагностика злокачественных и доброкачественных    опухолей предстательной железы. (Патент РФ №  2018829 от 30.08.94.., Патент РФ №  2246898 от 27.02.05.)

12.Дифференциальная диагностика злокачественных и доброкачественных патологий печени. (Патент РФ №  2246897 от 27.02.05, Патент РФ №  2281508 от 10.08.06.)

13.Дифференциальная диагностика форм острого и деструктивного панкреатитов и прогнозирование их течения и исходов. (Патент РФ №  2277243 от 27.05.06., Патент РФ №  2277244 от 27.05.06. , Патент РФ №   2284034  от 20.09.06., Патент РФ №  2253868 от 10.06.05, )

14.Диагностика окопроцесса желудка, толстого кишечника и прямой кишки.

15.Диагностика неспецифических язвенных колитов: прогноз течения и показания к операции. (Патент РФ №  2224253 от 20.02.04, Патент РФ № 2366956 от 10.09.09. Патент РФ № 2386972 от 20.04.10.)

16.Диагностика сахарного диабета у взрослых и детей. (Патент РФ № 2405148 от 27.11.10.)

17.Дифференциальная   диагностика   дифтерии,   ангины (тонзилита) и инфекционного мононуклеоза. (Патент РФ №  2133034 от 10.07.99., Патент РФ №  2189594 от 20.09.02.)

18.Склеродермия: определение тяжести течения заболевания. (Патент РФ №  2126966 от 27.02.99.)

  1. Диагностика пиелонефрита у беременных. (Патент РФ № 2219550 от12.12.03.)
  2. Дифференциальной диагностики нарушений   сперматогенеза. (Патент РФ № 2367957 от 20.09.09.)
  3. Определения индивидуальной чувствительности к низкоинтенсивному лазерному излучению. ( Патент РФ № 2098820 от 10.12.97.)

22.Определение биологического возраста (степени изношенности организма).

Метод применим для прогнозирования динамики патологических процессов, выявления возможности послеоперационных осложнений и для коррекции лечебных и профилактических мероприятий.

Основы и логика медико-диагностического применения метода инфракрасной спектроскопии изложены в статье.

По сравнению с общепринятыми методами скрининговой диагностики вышеуказанных состояний, метод ИКС СК обладает следующими преимуществами:

  1. I. Высокая информативность.

На основании клинических рандомизированных исследований, выполненных в 1984-2015гг в г. Нижнем Новгороде двойным слепым методом на выборке из более чем 20 000 пациентов с верифицированными диагнозами, были получены следующие значения диагностической информативности метода ИКС: диагностическая точность 91-97%, чувствительность 85-97%, специфичность 91-97% [7~9] .

Согласно данным Всемирной Организации Здравоохранения, онкологические заболевания занимают первое место в мире среди других видов патологии как причина смерти и инвалидизации. Применяемые обычно в скрининговой диагностике онкологических заболеваний методы обнаружения ассоциированных с опухолями антигенов (онкомаркеров) отличаются гораздо меньшей чувствительностью (в большинстве случаев не более 50%) и специфичностью (в среднем не выше 70%; исключение составляет только а~фетопротеин (>90%) для карциномы печени) [10]. Многие онкомаркеры, в отличие от ИКС СК, не позволяют с достаточной точностью определять злокачественные опухоли на ранних стадиях, когда лечение их наиболее эффективно. Флюорография, как общепринятый метод скрининговой диагностики заболеваний легких, во-первых не позволяет эффективно проводить дифференциальную диагностику легочной патологии (в силу регистрации только макроморфологии патологических изменений), во-вторых выявляет признаки онкологического процесса только в довольно поздних, макроскопически различимых, стадиях. Чувствительность рентгенографии грудной клетки в отношении рака легкого по данным разных исследователей колеблется от 40-50% [11] до 77% [12].

ИКС СК, в отличие от онкомаркеров и флюорографии грудной клетки, демонстрирует высокую точность определения онкологической патологии на любой стадии заболевания, включая предраковые состояния. При выявленной онкологической патологии, ИКС СК позволяет проводить эффективный мониторинг лечебных мероприятий.

Таким образом, высоко достоверное выявление онкологических заболеваний в ранних и предраковых стадиях и проведение контроля и коррекции лечебных мероприятий при помощи ИКС СК позволяет реализовать эффективную профилактику онкологических заболеваний, существенно снизить затраты на лечение лиц с данной патологией, сократить сроки их временной нетрудоспособности, значительно снизить частоту инвалидизации и смертности.

  1. II. Высокая интегральность  диагностической  оценки.

               В настоящее время не существует ни одного скринингового метода обследования пациента, который мог бы предоставить столь же большое количество высоко достоверной диагностической информации (см. выше список патологических состояний), как метод ИКС СК.

III.   Простота  диагностического  обследования.
Материал для ИКС анализа (5-10 мл сыворотки крови) может быть легко получен в любом процедурном кабинете. Подготовка пациента (утреннее голодание до сдачи крови, неупотребление алкоголя за 24 ч) также ничем

не отличается от подготовки к рутинному биохимическому анализу крови.

Важно отметить, что материал для анализа (высушенная при комнатной температуре сыворотка крови) пригоден для исследования в течение 12 месяцев при хранении в герметичной таре при комнатной температуре. Это позволяет без труда проводить ИКС СК-диагностику для иногородних пациентов.

  1. IV. Экономическая эффективность.

Для получения такого же по объему и точности количества диагностической информации, какое предоставляет метод ИКС СК на основании анализа одного образца крови, необходимо проведение целого комплекса лабораторно-инструментальных методов обследования, включающего следующие компоненты:

  • Иммунохимический и биохимический анализы  крови.
  1. Рентгеновские исследования:   флюорография  грудной  клетки,
    маммография,   сальпингография,   утерография,   колонография, компьютерная  томография.
  2. Цитологическое и  гистологическое  исследования  биоптатов  и
    пунктатов  различных  органов  и  тканей.
  3. Бактериологическое и  бактериоскопическое  исследования.
  4. Полимеразная цепная реакция(ПЦР).
  5. Инструментальное обследование сердца: ЭКГ, велоэргометрия.
  6. Ультразвуковое исследование  различных  органов  и  тканей.
  7. Эндоскопические методы      исследования:       бронхоскопия, фиброгастродуоденоскопия,  колоноскопия.

 

Совокупная стоимость вышеперечисленных анализов превышает стоимость ИКС СК-обследования в несколько раз, не учитывая непрямых потерь за счет отрыва пациента от профессиональной деятельности.

Необходимо также отметить, что метод дает возможность определить соответствие биологического возраста человека его календарному возрасту; контролировать эффективность назначенной пациенту терапии в динамике и т.д.

Таким образом, применение широкомасштабной скрининговой программы обследований методом ИКС, позволит существенно повысить эффективность диагностики и значительно снизить затраты на выявление опасных для жизни заболеваний.

Оригинальность и патентозащищенность метода.

Метод ИКС СК не имеет аналогов в мировой практике.

Имеется Диплом на открытие в области исследований патологических процессов в организме человека.

По теме открытия защищено 4 докторские и 11 кандидатских диссертаций.

Авторские права защищены 35 патентами Российской Федерации.

По результатам экспериментов авторами опубликован ряд печатных работ.

Метод официально рекомендован Минздравом РФ (04/2001) для дифференциальной диагностики туберкулеза и рака легких.

Медицинская технология зарегистрирована Федеральной службой по надзору в сфере здравоохранения ФС№2008/245.

Получены 2 золотые и 3 серебряные медали на международных выставках:

— Московский международный салон инноваций и инвестиций в 2006, 2007 и 2009 годах;

— Международный салон промышленной собственности «Архимед», 2007 год.

— Международный салон изобретений, Женева, 2011 год.

— Научно — технические и инновационные достижения России, Мадрид, 2011 год.

— Лауреат премии города Нижнего Новгорода в области науки, 2012 год.

 

Литература

  1. Химическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия; 1990; 2: 492 — 494.
  2. Общий практикум по органической химии. Под ред.Коста А.Н. М.: Мир; 1965; 102.
  3. Krafft C., Sobottka S.B., Schackert G., Salzer R. Analysis of human brain tissue, brain tumors and tumor cells by infrared spectroscopic mapping. Analyst  2004; 129 (10): 921- 925.
  4. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. М.: Высшая школа; 1971; С.20.
  5. Кейтс М. Техника липидологии. Выделение, анализ и идентификация липидов. М.: Мир; 1975: 107-112.
  6. Рапопорт Ж.Ж., Балуева Г.Р. Метод инфракрасной спектроскопии при изучении злокачественных болезней крови. В кн.: Сб. науч. трудов Красноярского медицинского института. Красноярск: Изд-во КГМИ; 1963; с. 324-328.

7.Винярская      И. В.      Клиническая оценка      показателей инфракрасной   спектроскопии   при болезнях миокарда   у   детей. —
Диссертация   на   соискание   ученой   степени кандидата   медицинских наук.  г.  Н.Новгород,  2000г.

  1. Гельфонд М.Л.     Диагностика     туберкулеза     легких     с  применением     инфракрасной     спектроскопии     лаважной     жидкости бронхов.   —   Диссертация   на   соискание   ученой   степени   кандидата   медицинских  наук.  г.  Н.Новгород,  1996г.

 

  1. Краснов В. В.     Современное    течение    дифтерии    и    ее осложнений  у  детей.   —   Диссертация   на   соискание   ученой   степени  доктора  медицинских  наук.  г.  Н.Новгород,  2001г.
  2. Медицинская лабораторная    диагностика.     Программы    и алгоритмы.  —  Под ред.  Карпищенко А.И.  СПб.:  Интер-Медика,
  3. Screening for    lung    cancer    effective    test    awaiting     effective          In:     Harber  P.,     Balmes  J.R.,     eds. Occupational     medicine     state     of   the   art   review:   prevention   of   pulmonary   disease.  Philadelphia:  Hanley  &  Belfus,  1991:  111-131.

National   cancer   institute   cooperative   early   lung  cancer   detection   program.   Summary   and   conclusion.   Am.Rev.Respir.Dis. 1984;  130:  565-567.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *