SPEKTROSKOPIA INFRAREDW MEDYCYNIE

RYS. WIDMO PODCZERWIENI BUTANOLU/ WIDMO ŚWIATŁA BIAŁEGO

Dorota Bartusik- Aebisher i David Aebisher

ABSTRAKT

Rodzaj spektroskopii, w której stosujesię promieniowanie podczerwone.Najpowszechniej stosowaną techniką IRjest absorpcyjna spektroskopia IR, służąca dootrzymywania widm oscylacyjnych (choćw zakresie dalekiej podczerwieni obserwujesię także przejścia rotacyjne). Przy pomocyspektroskopii IR można ustalić, jakie grupyfunkcyjne obecne są w analizowanym związku.

Spektroskopia w podczerwieni pozwala naanalizę zarówno struktury cząsteczek, jak i ichoddziaływania z otoczeniem. Jest to jednaz podstawowych metod stosowanychw badaniu wiązań wodorowych.

CZYM JEST SPEKTROSKOPIA INFRARED?

https://slideplayer.pl/slide/10204432/

SŁOWA KLUCZOWE: IR, diagnostyka

ZASADA DZIAŁANIA SPEKTROSKOPII INFRA RED:

Zasada działania spektrometru w podczerwieni opiera się nazjawisku interferencji zachodzącej między dwiema wiązkamipromieniowania, co w efekcie daje interferogram. Jest tosygnał powstający w wyniku różnicy drogi optycznej dwóchwiązek. Odległość oraz częstotliwość są domenami, któremogą przechodzić w siebie nawzajem dzięki metodziematematycznej znanej jako transformacja Fouriera.Promieniowanie podczerwone pochodzące ze źródła jestprzepuszczane przez interferometr, a następnie wchodziw interakcję z próbką, by ostatecznie dotrzeć do detektora.Po wzmocnieniu sygnału, w trakcie którego dochodzi dowyeliminowania przez filtr wpływu wysokiej częstotliwości,dane są konwertowane do formy cyfrowej oraz przesłanedalej do komputera w celu dokonania transformacjiFouriera, CO POKAZUJE ANIMACJA NA KOLEJNYM SLAJDZIE.

https://www.mpoweruk.com/figs/Michelson-Interferometer.htm

Najczęściej stosowanym interferometremw spektroskopii FT-IR jest interferometrMichelsona (przedstawiony na rysunku), któryskłada się z dwóch prostopadle ustawionychwzględem siebie zwierciadeł; dzielnik wiązki,będący półprzepuszczalnym filmem, przecinapłaszczyzny obydwu zwierciadeł.

ANIMACJE DZIAŁAJĄ PO WŁĄCZENIU POKAZU SLAJDÓW

https://gfycat.com/gifs/search/infrared+spectroscopy

ZASTOSOWANIE SPEKTROSKOPII INFRA RED W MEDYCYNIE:

Dotychczasowe prace wskazują, że w tej grupie schorzeńspektroskopia FTIR może być stosowana w następującychzagadnieniach:

1) rozróżnianie pomiędzy tkankami zdrowymia zmienionymi nowotworowo (nowotwory piersi,okrężnicy, wątroby, szyjki macicy) z uwzględnieniemwykrywania wczesnego stadium choroby, gdystandardowe metody nie dają jednoznacznej odpowiedzi;

2) monitorowanie nieprawidłowego wzrostui proliferacji komórek nowotworowych tak jakw przypadku krypt jelitowych, nabłonka szyjki macicy;

3) rozróżnianie pomiędzy zdrowymi a nowotworowymikomórkami w biopsjach z małych organów jak prostata,tarczyca oraz płynów ustrojowych;

4) rozróżnianie pomiędzy stanami nowotworowymia schorzeniami o podobnych objawach klinicznych(nowotwór okrężnicy i IBD – choroba zapalna jelit);

5) monitorowanie skutków terapii antynowotworowej(chemioterapii w przypadku białaczek) oraz stopniazłośliwości nowotworu (chłoniaki);

CHOROBY NOWOTWOROWE

https://www.wired.co.uk/article/signs-breast-cancer-ai-doctors

CHOROBY NEUROLOGICZNE

Interesujące zastosowanie spektroskopii w podczerwieni to badaniaschorzeń neurologicznych. Złożoność funkcjonowania mózgu jaki stosunkowo uboga wiedza na temat patogenezy wielu schorzeńośrodkowego układu nerwowego (OUN) człowieka skutkuje licznymipracami badawczymi, obejmującymi zarówno poznanie patogenezy jaki swoistych markerów danego schorzenia umożliwiających wczesnediagnozowanie choroby.

Badania z wykorzystaniem tej techniki prowadzone były w odniesieniudo udarów mózgu, neurotoksyczności, chorób genetycznych, zaburzeńmetabolizmu, a także w odniesieniu do choroby Alzheimer’a.Pojawiające się w tym schorzeniu złogi ß amyloidu dają jednoznacznyobraz w spektroskopii FTIR w postaci przesunięcia pasma amidu Iw kierunku niższych częstotliwości. Ponadto, badane jest czy podobnezmiany obserwowane są w innych organach co pozwoliłoby nawcześniejsze diagnozowanie choroby Alzheimera. Wykorzystaniemikrospektroskopii w podczerwieni, dzięki bardzo dobrej rozdzielczościprzestrzennej techniki, pozwala na poznanie nie tylko zmiandotyczących głównych molekuł biologicznych ale również poznanieskładu molekularnego w strukturach tkanki (w tym równieżw degenerujących neuronach, charakterystycznych dla ww. schorzeń).

Mapy FTIR uzyskane dla próbki istoty czarnej w porównaniu z obrazem mikroskopowym tkanki. Wartości podane na mapach oznaczają liczby falowe [cm-1].

http://home.agh.edu.pl/~km2007/misc/papers/42.pdf

https://picsart.com/i/231983904007202

CHOROBY UKŁADU POKARMOWEGO

Wśród innych zastosowań diagnostycznych spektroskopii FTIRmożna wymienić choroby kości i stawów. Artretyzm, którymoże przybierać różne formy prowadzi do poważnych zmian wobrębie stawów i nadal jest trudny do diagnozowania. Praceprowadzone przez Instytut Biodiagnostyki w Winnipegz wykorzystaniem spektroskopii FTIR obejmowałysystematyczne badania mazi stawowej pobieranej od osóbz różnymi formami artretyzmu i grupy kontrolnej. Zmianyzaobserwowane w obrębie wiązania C-H lipidów, występującedla różnych form artretyzmu pozwoliły na dokonanieodpowiedniej klasyfikacji w oparciu o technikę FTIR. Bardzodobra zgodność pomiędzy tymi wynikami a diagnoząkliniczną potwierdza przydatność spektroskopii FTIR dobadań artretyzmu. Inną chorobą układu kostnego jestosteoporoza, polegająca na postępującym ubytku masykostnej i dezorganizacji mikroarchitektury szkieletu kostnego.Synchrotronowa mikrospektroskopia FTIR wykorzystywanajest do oceny stopnia mineralizacji kości (stosunekfosforanów do białek) i zawartości węglanów (stosunekwęglanów do białek), badania struktury kolagenu jak równieżwpływu stosowanych środków terapeutycznych na poprawętych parametrów.

CHOROBY UKŁADU KOSTNEGO

Jako przykład wykorzystania tej technikiw badaniach próbek gazowych można podaćoznaczanie stosunku 13C/12C w CO2w testach oddechowych prowadzonychw kierunku identyfikacji bakteriiHelicobacter pylori odpowiedzialnej zapowstawanie choroby wrzodowej żołądka.

https://wiki/Plik:Left_Metatarsal_bones_-_animation02.gif https://gifer.com/en/QaaL

MOJE WŁASNE OBSERWACJE….

Uważam, że spektroskopia Infra Red jest coraz częściej stosowanajako technika analityczna do diagnozowania różnorodnych schorzeń.W porównaniu z innymi technikami stosowanymi aktualniew medycynie ma wiele zalet: promieniowanie podczerwone nie jestniszczące dla materiału biologicznego tak jak UV, promieniowanie Xczy gamma. W odróżnieniu od np. magnetycznego rezonansujądrowego (NMR) czy pozytonowej tomografii emisyjnej (PET)badania mogą być prowadzone na małej ilości materiału i zezdecydowanie lepszą rozdzielczością przestrzenną. Ponadto, należypodkreślić, że technika ta jest nieinwazyjną, szybką metodąoznaczania równocześnie wielu biomolekuł, jest stosunkowo taniaw porównaniu ze stosowanymi metodami histochemicznymi orazumożliwia zarówno badania ex vivo jak i in vitro.

BIBLIOGRAFIA:• Miller L.M., Dumas P. Chemical imaging of biological tissue with synchrotron

infrared light. Biochimica et Biophysica Acta 1758, 2006, 846–857.• Michael Heise H. Clinical Applications of Near-and Mid-Infrared Spectroscopy:

Infrared and Raman Spectroscopy of Biological Materials, Marcel Dekker, Inc. NewYork 2001.

• Sahu R.K., Mordechai S. Fourier transform infrared spectroscopy in cancerdetection. Future Oncology 1(5), 2005, 635-647.

• [8] Ross C.A., Poirier M.A. Protein aggregation and neurodegenerative disease. Nat.Med. 10, 2004, Suppl 10-17.

• Gao T.J., Feng Y. Ci. Human breast carcinomal tissues display distinctive FTIRspectra: implication for the histological characterization of carcinomas. Anal. Cell.Pathol. 18, 1999, 87–93. [10] Argov S., Ramesh J., Salman A., Goldstein J., SinelnikovI., Guterman H., Mordechai S. Diagnostic Potential of FTIR Microspectroscopy andAdvanced Computational Methods in Colon Cancer Patients, J. Biomed. Optics,7(2),2002, 248-254.

• Diem M., Chiriboga L., Yee H. Infrared spectroscopy of human cells and tissue. VIII.Data collection and analysis strategies for infrared mapping of tissue. Biopolymers:Biospectroscopy, 57, 2000,282– 290.

• Wood B. R., Chiriboga L., Yee H., Quinn M. A., McNaughton D., Diem M. FTIRmapping of the cervical transformation zone, squamous and glandular epithelium,Gynecol. Oncol., 93(4), 2004, 59–68.

• Sahu R.K., Argov S., Bernshtain E., Salman A., Walfisch S., Goldestein J., Mordechai.S. Detection of abnormal proliferation in histologically “normal” colonic biopsiesusing FTIRmicrospectroscopy, Scan. J. of Gastroenterology. 39 (6), 2004, 557- 566.

• Chang J.I., Huang Y.B., Wu P.C I wsp. Characterization of human cervicalprecancerous tissue through the Fourier transform infrared microscopy withmapping method. Gynecol. Oncol. 91(3), 2003, 577- 583.

• Spectral Database for Organic Compounds SDBS (ang.). National Institute ofAdvanced Industrial Science and Technology. [dostęp 2010-09-02].

• A. Huczyński, B. Brzezinski, ”Zastosowanie spektroskopii w podczerwieni wbadaniach oddziaływań międzycząsteczkowych” w pracy zbiorowej pod redakcją G.Schroedera pt.: ”Syntetyczne receptory molekularne. Strategie syntezy. Metodybadawcze”, Betagraf P.U.H., Poznań, 2007, str. 281–322, ISBN 83-89936-18-6

• Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji związkóworganicznych, Wojciech Zieliński (red.), Andrzej Rajca (red.), Roman Mazurkiewicz,Warszawa: WNT, 2000, ISBN 83-204-2479-8, OCLC 749797140