Наши коллеги из компании ЗАО «АДВИН Смарт Фэктори»  подготовили небольшой разбор применения ЭПР-спектрометрии в медицине на практике. В материале затронуты важные вопросы воздействия внешних и внутренних факторов на организм. Это отличный пример того, как практический опыт и научный подход помогают находить эффективные решения для лабораторий.

Метод электронного парамагнитного резонанса — достаточно широко известный метод в медицине, который можно использовать как для изучения парамагнитных частиц, так и свободных радикалов в так называемых биологически активных материалах (крови, тканях).

 

Методология

Важным направлением в прикладном применении метода ЭПР является использование искусственных и некоторых природных парамагнитных соединений. В настоящее время широкое распространение получили метод спинового зонда и спиновой метки, заключающиеся в добавлении к исследуемому объекту стабильного радикала. Таким образом, можно получить косвенные данные о микровязкости и полярности микроокружения зонда, конформационных изменениях белков и мембран, текучести мембранных липидов и их целостности, митохондриальной активности различных тканей, сродстве веществ и лекарственных средств к мембранам и белкам, топографии больших и сложных ферментов.

Примеры работ:

Исследования для понимания физического воздействия на кровь некоторых химических комплексов и загрязнителей из окружающей среды:

В работе [6] изучалась текучесть эритроцитов мембран при пагубном воздействии на человека загрязнителей окружающей среды, бисфенола А (БФА) и его метаболита гидрохинона (ГХ), c использованием спиновой метки 5-доксилстеариновой кислоты (5-DS). Показано, что БФА и ГХ в разной степени вызывают окислительные повреждения эритроцитов человека: гемолиз, снижение уровня GSH, образование метгемоглобина.

С помощью ЭПР спектроскопии была охарактеризована новая серия комплексов   Cu(II) с формулой   M(HLn)(ClO4)2·mH2O  в  виде микрокристаллических порошков. 

Действие этих комплексов, участвующи[ в ферментативных процессах в организме, было протестировано на эукариотических одноклеточных организмах Saccharomyces cerevisiae, тем самым показывая различия с точки зрения токсичности, клеточного поглощения и способности облегчать дефекты роста, связанные с истощением Cu, Zn-супероксиддисмутазы (SOD1) [7]. Все измерения ЭПР сигнала в представленных экспериментах проводились при комнатной температуре на спектрометре CMS 8400 (ЛИНЕВ АДАНИ).

С помощью ЭПР спектрометра и системы температурного контроля изучено воздействие различных анестетиков на спин живых пигментированных мух и сделан вывод о том, что возможно существует связь между спином, электронными токами в клетках и работой нервной системы [10].

ЭПР исследования в области создания систем адресной доставки диагностических и лекарственных препаратов:

Методом спинового зонда исследовали влияние различных концентраций детонационных наноалмазов (ДНА): 25, 50 и 75 мкг/мл [1], окисленного графена [2, 3] и углеродных нанотрубок с иммобилизованными на их  поверхности противоопухолевыми препаратами, на микровязкость мембран эритроцитов крыс и плазму крови [11].ЭПР спектроскопия в сочетании с методом спиновой метки использовалась для изучения различных взаимодействий связывания между салициловой кислотой/ ибупрофеном и бычьим сывороточным альбумином (БСА) [5]. Маркировка лекарств стабильным радикалом позволяет отслеживать состояние лекарственного средства в белковом растворе.ЭПР исследования при комнатной температуре (21℃) применяли для количественного анализа микрокапсул магнетита в высушенных кусочках экстрагированных органах крыс (сердце, почки, селезенка, легкие, печень), поскольку именно эти исследования позволяют получать информацию на разных стадиях деградации микрокапсул [9].Измерения, проведенные на ЭПР спектрометре, в сочетании с методом спиновой ловушки для детектирования активных форм кислорода (супероксидный анион) продемонстрировали мощный противовоспалительный эффект Розвустатина, как наиболее эффективного соединения класса статинов, в мышиной модели гиперхолестеринемии [14]. Ингибирование клеточного окислительного стресса, вероятно, сыграет ключевую роль в Розвустатин-опосредованной модуляции локальных воспалительных процессов.
ЭПР исследования в области диагностики онкологических заболеваний:

Методом спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) на спектрометре CMS 8400 (АДВИН, ранее — АДАНИ) при комнатной температуре были проведены исследования спиновых электронных состояний в порошках нанокристаллов кремния (КНЧ) с заданным изотопным составом для возможного их использования одновременно и в терапии, и в диагностике, т.е. тераностике, что позволит значительно повысить эффективность лечения онкологических заболеваний [4].Методом ЭПР с использованием спинового зонда на ЭПР спектрометре PS 100X (АДВИН, ранее — АДАНИ) исследованы отдельные физико-химические параметры конформационно-динамического состояния и транспортной функции сывороточного альбумина для диагностики и динамики многокомпонентного лечения больных с далеко зашедшими и генерализованными формами сарком мягких тканей, меланомы, не органных злокачественных опухолей забрюшинного пространства [12,13].

Выводы:

  • Примеры экспериментальных исследований ЭПР методом на настольных спектрометрах CMS8400/PS100X демонстрируют широкие возможности его практического применения.
  • Реализуемые методики измерений универсальны, воспроизводимы, достаточно чувствительны и позволяют однозначно идентифицировать виды свободных радикалов и их окружение путем записи спектра исследуемого образца.
  • Несомненным преимуществом работы ЭПР спектрометров является их способность раскрывать информацию об окружающей среде вокруг сформированных спиновых аддуктов.
  • Настольный ЭПР Спектрометр является инструментом для детального исследования способов доставки лекарств к целевым объектам, динамики их связывания и ее влияния на жизнь человека.
  • Кроме того, благодаря широким функциональным возможностям ЭПР-спектрометра (опциональное добавление системы температурного контроля и др.), данный прибор может быть использован и для более глубоких научных исследований.

Все измерения ЭПР сигнала в представленных экспериментах проводились при комнатной температуре на спектрометре CMS 8400 (АДВИН, ранее — АДАНИ).

CMS8400 NEO · Спектрометр Электронного Парамагнитного Резонанса

Состав оборудования:

Базовый комплект

  • ЭПР спектрометр CMS8400 Neo
  • Комплект ампул для образцов, наружный диаметр 3,4, 5 мм
  • Капилляры
  • Референсный образец Mn2+ в MgO
  • Руководство пользователя
  • Рабочее место оператора (компьютер)
  • Программное обеспечение e-Spinoza

Подробнее о спектрометре и его дополнительных опция читайте на страничке CMS8400 NEO.

Ссылки на источники:

  1. Н.Т. Картель, Л.В. Иванов, А.Н. Ляпунов, О.А. Нардид, Я.О. Черкашина, О.В. Щербак, О.А. Гурова, А.В. Окотруб ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕТОНАЦИОННЫХ НАНОАЛМАЗОВ НА МИКРОВЯЗКОСТЬ МЕМБРАН ЭРИТРОЦИТОВ КРЫС МЕТОДОМ СПИНОВЫХ ЗОНДОВ //Хімія, фізика та технологія поверхні – 2019– Т. 10– № 2–С. 166-173
  2. V. A. Karachevtsev, N. T. Kartel, L. V. Ivanov, A. N. Lyapunov, O. A. Nardid, Ya. O. Cherkashina, A. Yu. Ivanov Change in the Microviscosity of Erythrocyte Membranes and Proteins in Blood Plasma after Graphene Oxide Addition: The ESR Spectroscopy Study // Journal of Spectroscopy Volume – 2019– Article ID 8083207– 8 page
  3. Н.Т. Картель, Л.В. Иванов, В.А. Карачевцев, А.Н. Ляпунов, О.А. Нардид, Я.О. Черкашина, В.С. Леонтьев, А.Ю. Иванов Оценка взаимодействия окисленного графена с мембранами эритроцитов и белками плазмы крови крыс методом спиновых зондов // Допов. Нац. акад. наук Укр. –2017– № 8– С.71-79
  4. Каргина Ю.В., Журенко С.В., Борунова А.Б., Дегтярев Е.Н., Перепухов А.M., Зверева Е.А.,Сенников П.Г., Пирогов Ю.А., Гиппиус А.А., Тимошенко В.Ю. КРЕМНИЕВЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ С РАЗЛИЧНЫМ ИЗОТОПНЫМ СОСТАВОМ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ // ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ – 2019–С.72-75
  5. Akdogan, M. Emrullahoglu, D. Tatlidil, M. Ucuncub, G. Cakan-Akdogan EPR studies of intermolecular interactions and competitive binding of drugs in a drug-BSA binding model // journal Phys. Chem. Chem. Phys.– 2016
  6. Olchowik-Grabarek, K. Makarova, S. Mavlyanov, N. Abdullajanova, M. Zamaraeva Comparative analysis of BPA and HQ toxic impacts on human erythrocytes, protective effect mechanism of tannins (Rhus typhina) // Environ Sci Pollut Res – 2017
  7. E. Pătraşcu, M. Badea, N. Čelan Korošin, R. C. Korošec, L. L. Ruţă, I. C. Farcaşanu, M. N. Grecu, G. Guillaumet, Olar Insight on spectral, thermal and biological behaviour of some Cu(II) complexes with saturated pentaazamacrocyclic ligands bearing amino acid residues //Journal of Thermal Analysis and Calorimetry –2020
  8. Nikita А. Navolokin, Sergei V. German, Alla B. Bucharskaya Olga S. Godage, Viktor V. Zuev, Galina N. Maslyakova, Nikolaiy A. Pyataev, Pavel S. Zamyshliaev, Mikhail N. Zharkov, Georgy S. Terentyuk, Dmitry A. Gorin, Gleb B.Sukhorukov Systemic Administration of Polyelectrolyte Microcapsules: Where Do They Accumulate and When? In Vivo and Ex Vivo Study // Nanomaterials– 2018 –Vol.8–P. 812
  9. Luca Turina, Efthimios C. Skoulakisa, Andrew P. Horsfield Electron spin changes during general anesthesia in Drosophila // Published online August 11, 2014
  10. Н.Т. Картель, Л.В. Иванов, А.Н. Ляпунов, О.А. Нардид, А.В. Окотруб, И.А. Кирилюк, Я.О. Черкашина Оценка влияния углеродных нанотрубок на микровязкость мембран эритроцитов методом спиновых зондов // Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2015, №3
  11. Р.М. Смолякова, А.А. Машевский, В.И. Прохорова Связывающая способность и структурно-динамические характеристики сывороточного альбумина у больных с генерализованными формами злокачественных новообразований в динамике многокомпонентного лечения // Эфферентная терапия – 2004, том10, №2, С.25-31
  12. Цырусь Т.П. , Машевский А.А., Прохорова В.И. Биофизические показатели конформационных изменений центров связывания жирных кислот сывороточного альбумина у больных злокачественными новообразованиями
  13. Wei Li, Tomoko Asagami, Hidetsugu Matsushita, Keun-ho Lee, Philip S. Tsao Rosuvastatin Attenuates Monocyte-Endothelial Cell Interactions and Vascular Free Radical Production in Hypercholesterolemic Mice // Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics May 2005, 313 (2) 557-562