UDK 61 Медицина. Охрана здоровья
GRNTI 76.03 Медико-биологические дисциплины
OKSO 31.02.03 Лабораторная диагностика
BBK 54 Клиническая медицина
TBK 57 Медицина. Фармакология
BISAC MED047000 Laboratory Medicine
The comparison of the characteristics of the infrared spectra (height, area of absorption bands) with the biochemical composition was carried out using the example of human saliva. Correlations of both individual absorption bands and their combinations with a number of biochemical parameters of saliva have been established. The substantiation of the revealed regularities based on the metabolic characteristics of this biological fluid is proposed.
saliva, biochemistry, infrared spectroscopy, correlation analysis
Метод инфракрасной (ИК) спектроскопии достаточно широко распространен для анализа как биологических тканей, так и биологических жидкостей [1]. Биологические жидкости включают мочу, слюну, кровь, желчь, сок поджелудочной железы, грудное молоко и слезы. В настоящее время большое количество исследователей применяют ИК спектроскопию для выявления различных патологических состояний организма человека [2]. Однако, зачастую авторы ограничиваются сравнением спектров, полученных для разных групп пациентов, делая акцент на различиях, но не вдаваясь в механизм происходящих изменений. Тем не менее, необходимо выявить корреляции между отдельными полосами в ИК спектрах и биохимическим составом образца, чтобы понимать, какие метаболические изменения в организме могут повлиять на изменение вида спектра, что в свою очередь поможет правильнее интерпретировать результаты. В данной работе в качестве модельной биологической жидкости выбрана слюна [3]. Целью работы являлось выявление корреляционных взаимосвязей биохимического состава слюны и характеристик ИК спектров.
Материал и методы
В исследование включены 298 здоровых добровольцев. У всех участников проводили забор слюны в количестве 5 мл. Образцы слюны собирали утром натощак путем сплевывания в стерильные пробирки, центрифугировали при 7000 об/мин. Образцы объемом 50 мкл высушивали на подложке из селенида цинка в термостате при 37°С. ИК-спектры поглощения регистрировали на ИК-Фурье-спектрометре «ФТ-801» (СИМЕКС) в диапазоне 500-4000 см-1.
Для каждой группы вычислялись следующие данные: наличие полосы поглощения (ПП) "да/нет", положение ПП (отклонение относительно среднего значения или относительно табличного значения положения пика), высота пика и площадь. Кроме того, для каждой группы были накоплены данные биохимического анализа (34 показателя) [4]. Теснота корреляционной связи определяется по коэффициенту корреляции (r): сильная (*) — r = ±0,7 до ±1, средняя (#) — r = ±0,3 до ±0,699, слабая — r = 0 до ±0,299.
Результаты и обсуждение
На первом этапе исследования были получены ИК спектры слюны и выбраны 38 полос поглощения, которые встречаются на большинстве спектров. Пример ИК спектра слюны приведен на рис. 1.
Рис. 1 Пример ИК спектра слюны.
Для каждой полосы полглощения были рассчитаны коэффициенты корреляции с биохимическим составом слюны, который включал показатели минерального, белкового, липидного обмена, активность ферментов, показатели липопероксидации и эндогенной интоксикации (табл. 1).
Таблица 1 Корреляционные взаимосвязи ПП в ИК спектрах слюны.
|
ПП, см-1 |
Биохимический показатель |
Интерпретация спектра |
Высота |
Площадь |
|
743 |
Роданиды |
Белки (амид V, NH) |
0,53 |
0,50 |
|
986 |
Молекулы средней массы (МСМ 280/254 нм) |
Нуклеиновые кислоты, белки (νPO4) |
0,53 |
0,55 |
|
Каталаза |
0,51 |
0,50 |
||
|
1437 |
Супероксиддисмутаза (СОД) |
δ(CH2), липиды, жирные кислоты; δ(CH) полисахариды |
0,51 |
0,52 |
|
1473 |
Триеновые конъюгаты |
Белки, липиды (δCH2) |
0,60 |
0,57 |
|
1490 |
Триеновые конъюгаты |
Белки (νCC, δCH) |
0,56 |
0,55 |
|
Мочевина |
0,56 |
0,55 |
||
|
1509 |
Триеновые конъюгаты |
Белки (CH) |
0,58 |
0,53 |
|
1637 |
Альбумин |
Амид I (β-складчатая структура) |
0,55 |
0,56 |
|
α-аминокислоты |
0,86 |
0,85 |
||
|
Хлориды |
0,73 |
0,71 |
||
|
Гаммаглутамилтрансфераза (ГГТ) |
0,67 |
0,65 |
||
|
Сиаловые кислоты |
0,51 |
0,49 |
||
|
1653 |
Молекулы средней массы (МСМ, фракция 254 нм) |
Амид I (νCO, δCN, δNH) белки в конформации α-спирали |
0,51 |
0,54 |
|
Молекулы средней массы (МСМ, фракция 280 нм) |
0,51 |
0,54 |
||
|
1749 |
Триеновые конъюгаты |
νCO липиды, триглицериды, полисахариды |
0,65 |
0,63 |
|
Супероксиддисмутаза (СОД) |
0,52 |
0,50 |
||
|
2060 |
Роданиды |
SCN- тиоцианаты |
0,57 |
0,58 |
|
Лактат |
0,87 |
0,85 |
||
|
Калий |
0,69 |
0,57 |
Показано, что не все выбранные полосы коррелируют с тем или иным показателем биохимического состава слюны, что может быть обусловлено отсутствием в перечне определяемых веществ ряда показателей, а также сложным характером спектра. Для ряда ПП наблюдается корреляция с несколькими биохимическими показателями, что также свидетельствует о сложной и неоднозначной структуре спектра. Сильные корреляции выявлены для ПП амида I с содержанием α-аминокислот, что вполне закономерно, а также с уровнем хлоридов, которые могут влиять на конформационную структуру белка и смещать его изоэлектрическую точку. Сильная корреляция ПП тиоцианат-ионов с уровнем лактата, по-видимому, обусловлена ролью тиоцианатов в антибактериальной защите с участием пероксидаз слюны, в том числе лактопероксидазы и миелопероксидазы. Остальные корреляции являются корреляциями средней силы и вполне обоснованы исходя из метаболических особенностей слюны человека.
На следующем этапе исследования были рассчитаны все возможные отношения высот и площадей ПП в ИК спектрах слюны для поиска сильных корреляций с биохимическими показателями. Этот этап также необходим, чтобы исключить дополнительную необходимость нормировки спектров и коррекции базовой линии, что зачастую делает невозможным сопоставление данных по спектрам, полученных разными авторами. По результатам расчетов выявлено больше сильных корреляций, чем только для высот и площадей ПП (табл. 2).
Таблица 2 Коэффициенты корреляции биохимических показателей слюны и комбинаций высот и площадей ПП в ИК спектрах.
|
Отношение высот ПП, см-1 |
Биохимический показатель |
r |
Отношение площадей ПП, см-1 |
Биохимический показатель |
r |
|
h1542/h2060 |
Общий белок |
0,89 |
s1473/s1455 |
Натрий |
0,98 |
|
h1542/h2060 |
Калий |
0,87 |
s1749/s1647 |
Сиаловые кислоты |
0,91 |
|
h1542/h2060 |
Мочевина |
0,76 |
s1653/s2932 |
Пировиноградная кислоты |
0,79 |
|
h1542/h2060 |
ЛДГ |
0,72 |
s2932/s929 |
Мочевая кислота |
0,75 |
|
h2932/h2060 |
Лактат |
0,95 |
s1637/s616 |
Альбумин |
0,75 |
|
h1637/h3097 |
α-аминокислоты |
0,81 |
s1647/s1437 |
Имидазольные соединения |
0,7 |
|
h1637/h3097 |
ГГТ |
0,76 |
|
|
|
|
h855/h771 |
Натрий |
0,73 |
|
|
|
|
h855/h771 |
СОД |
0,71 |
|
|
|
|
h1637/h616 |
Хлориды |
0,71 |
|
|
|
|
h2060/h1244 |
Сиаловые кислоты |
0,70 |
|
|
|
|
h1490/h1772 |
Триеновые конъюгаты |
-0,72 |
|
|
|
|
h1772/h1542 |
Роданиды |
-0,73 |
|
|
|
Показано, что при расчете соотношений высот и площадей ПП выявляются корреляции с биохимическими показателями, которые не были выявлены на предыдущем этапе (табл.2). Так, дополнительно выявлены корреляции с уровнем мочевой и пировиноградной кислот, натрием, общим белком и имидазольными соединениями. Это расширяет возможности интерпретации спектров в их биомедицинском приложении.
Заключение. Проведено сопоставление характеристик ИК спектров (высота, площадь полос поглощения) с биохимическим составом на примере слюны человека. Установлены корреляции как отдельных полос поглощения, так и их комбинаций с рядом биохимических показателей слюны. Предложено обоснование выявленных закономерностей исходя из метаболических особенностей данной биологической жидкости.
1. Z. Movasaghi, S. Rehman, I. ur Rehman. Applied Spectroscopy Reviews, 43, N 2 (2008) 134-179; https://doi.org/10.1080/05704920701829043
2. A.A. Bunaciu, H.Y. Aboul-Enein, Ş. Fleschin. “Vibrational Spectroscopy in Clinical Analysis”. Applied Spectroscopy Reviews. 2015. 50(2): 176-191.
3. L.M. Rodrigues, T.D.M. Alva, H. da Silva Martinho, J.D. Almeida. “Analysis of saliva composition in patients with burning mouth syndrome (BMS) by FTIR spectroscopy”. Vibrational Spectroscopy. 2019. 100: 195–201.
4. Bel’skaya L.V., Sarf E.A., Solomatin D.V. Age and gender characteristics of IR spectra of normal human saliva. Applied Spectroscopy. 2020 https://doi.org/10.1177%2F0003702819885958
