Диабет, который светится
В СГТУ разработали приборное обеспечение для изучения плазмы крови
Ученые-физики Саратовского государственного технического университета им. Ю. А. Гагарина создали приборное обеспечение для регистрации структурных изменений в транспортных белках плазмы крови человека. Эта разработка будет крайне востребована в медицине, в том числе для ранней диагностики и лечения сахарного диабета.
Фото: Влад Некрасов, Коммерсантъ
Фото: Влад Некрасов, Коммерсантъ
Исследования биофизических процессов, реализующихся в таком сложном образовании, как глобула транспортного белка, проводятся в лаборатории спектрального анализа СГТУ под руководством доктора химических наук, профессора кафедры «Физика» Геннадия Мельникова.
Само приборное обеспечение «Импульсный фосфориметр» представляет собой компактный флуориметр, который позволяет регистрировать свечение люминесцентных зондов размером в несколько ангстрем, связанных с исследуемыми белками плазмы крови. Его применение фиксирует наличие транспортных белков с измененной структурой, которые не участвуют в процессах жизнедеятельности человека.
У разработки нет аналогов в России и есть ряд преимуществ по сравнению с зарубежными аппаратами. В частности, приборное обеспечение политеховцев имеет значительное временное разрешение регистрируемой кинетики затухания люминесценции зондов, что позволяет регистрировать люминесценцию с низким квантовым выходом.
«Принцип действия прибора основан на чувствительности люминесцентных зондов к структурным изменениям в белках, с которыми они связаны. В результате был получен “инструмент”, позволяющий изучать процессы, происходящие в наноразмерном биологическом объекте — транспортном белке»,— рассказывает один из авторов разработки, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физика» Андрей Мельников.
По мнению ученого, люминесцентные методы исследования обладают целым рядом преимуществ. Во-первых, это методы неразрушающего контроля состояния биологических объектов и, в частности, такого «нежного», как белки. Это позволяет проводить многократные измерения и наблюдать изменения свойств белков во времени.
В настоящее время получены результаты по исследованию влияния стресса, старения организма человека на структуру транспортных белков, а также воздействия глюкозы и ионов тяжелых металлов на белки. Эти сведения свидетельствуют о перспективности применения метода люминесцентного зонда и приборного обеспечения для диагностики заболеваний, возникающих вследствие структурных изменений в белках.
На вопросы «Ъ-Науки» отвечает Андрей Мельников, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физика»:
— Как сейчас исследуют плазму крови?
— В настоящее время для определения элементного состава биологических образцов используют следующие методы анализа: атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС), атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС), масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС), рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) и др.
— Много ли мы о ней знаем?
— Плазма крови имеет светло-желтоватый или соломенный цвет. Она служит жидкой основой для цельной крови. Цельная кровь за вычетом эритроцитов (RBC), лейкоцитов (WBC) и тромбоцитов (тромбоциты) составляет плазму. Сыворотка, которую иногда ошибочно считают синонимом плазмы, состоит из плазмы без фибриногена. Плазма содержит от 91% до 92% воды и от 8% до 9% твердых веществ. В основном она состоит из коагулянтов, в основном фибриногена, которые способствуют свертыванию крови; белков плазмы, таких как альбумин и глобулин, помогающих поддерживать коллоидно-осмотическое давление на уровне около 25 мм рт. ст.; электролитов, таких как натрий, калий, бикарбонат, хлорид и кальций, которые помогают поддерживать рН крови; иммуноглобулинов, помогающих бороться с инфекцией, и небольшого количества ферментов, гормонов и витаминов.
Несмотря на то что о плазме крови многое известно, до сих пор интенсивно ведутся работы по изучению свойств плазмы крови, которые проявляются в стрессовых ситуациях, при старении организма и при различных заболеваниях.
— Зачем исследуют глобулу транспортного белка? Как это связано с диабетом и другими заболеваниями человека?
— Глобулу транспортного белка исследуют затем, чтобы понять механизмы связывания белков с лекарственными препаратами и открыть новые возможности для индивидуального подхода в лечении.
К настоящему времени установлено, что для диагностики сахарного диабета, а также при осуществлении контроля за эффективностью лечения наиболее перспективно использование гликированного сывороточного альбумина человека (САЧ) в качестве краткосрочного и среднесрочного маркера для контроля гликемии при диабете.
В настоящее время большое внимание уделяется поиску новых способов ранней диагностики состояния организма. Одним из самых чувствительных методов является люминесцентный метод, позволяющий осуществлять в том числе и неразрушающий контроль состояний белков плазмы крови. Востребованы разработки методов контроля состояния транспортных белков организма для диагностики такого распространенного заболевания, как сахарный диабет.
Сывороточный альбумин человека (транспортный белок) имеет более короткий период полураспада, чем у гемоглобина, поэтому для оценки эффективности лечения сахарного диабета наиболее показательными являются глобулярные белки (сывороточный альбумин человека), так как результаты этих исследований позволяют получать данные за более короткий период времени между проведением повторных исследований.
— Какие технологии сейчас используются при исследованиях белка?
— В настоящее время используются рентгеноструктурный анализ, методы биохимического и молекулярно-биологического анализа белков: хроматография, электрофорез, цитофлюорометрия, центрифугирование и др.
Также при исследовании белков используются, например, методы медицинской диагностики, использующие флуоресцентные методы контроля состояния транспортных белков организма.
Для определения структурных изменений в белках применяются люминесцентные методы, основанные на наблюдении флуоресценции и фосфоресценции хромофоров белков.
— В чем преимущество нового приборного обеспечения?
— Новое приборное обеспечение позволяет использовать для диагностики состояния белков люминесценцию наномаркеров, связанных с белками нековалентными связями. Использование длительного свечения наномаркеров позволяет повысить чувствительность диагностики. Использованное ранее оборудование и методы позволяли регистрировать быструю флуоресценцию как самих белков, так и наномаркеров, связанных с белками.
— Как проходят исследования?
— Методика проведения измерений такова. Готовится раствор сывороточного альбумина человека. Создаются условия, при которых введенные в раствор наномаркеры связываются с глобулами САЧ нековалентными связями. Производится удаление кислорода из раствора. Образец помещается в кюветное отделение прибора, и производится измерение. Полученная временная зависимость затухания длительного свечения наномаркера обрабатывается на компьютере, сочлененном с прибором.
— Расскажите подробнее об исследованиях того, как стресс и старение влияют на структуру белка крови.
— Стресс приводит к изменению рН крови. В результате в организме образуются белки с частично измененной структурой. Белки с частично измененной структурой уже не участвуют в полной мере в процессах метаболизма.
Процессы, связанные со старением организма, приводят к образованию и накоплению в организме глобул САЧ с частично измененной структурой.
— Как, на ваш взгляд, будет развиваться это научное направление в будущем?
— Исследование люминесцентно-кинетическими методами структурных изменений в белках под действием внешних факторов: нагревание, наличие ионов тяжелых металлов, полициклических ароматических углеводородов, присутствие поверхностно-активных веществ, глюкозы, изменение рН крови и под воздействием других примесей.
Наиболее перспективным считаем применение явлений переноса энергии электронного возбуждения между хромофорами белка и люминесцентными зондами наномаркерами, введенными в соответствующие области белков.
Подготовлено при поддержке Минобрнауки