Применение метода терагерцовой газовой спектроскопии высокого разрешения для анализа состава продуктов термического разложения биологических жидкостей (урины) человека

Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Черняева М.Б., Анфертьев В.А., Масленникова А.В., Железняк А.В., Князева Т.Д., Родионов М.А., Майоров А.И.

Полный текст «Оптического журнала»

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Черняева М.Б., Анфертьев В.А., Масленникова А.В., Железняк А.В., Князева Т.Д., Родионов М.А., Майоров А.И. Применение метода терагерцовой газовой спектроскопии высокого разрешения для анализа состава продуктов термического разложения биологических жидкостей (урины) человека // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 4. С. 80–90. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-04-80-90

Vaks V.L., Domracheva E.G., Chernyaeva M.B., Anfertev V.A. , Maslennikova A.V., Zheleznyak A.V., Knyazeva T.D., Rodionov M.A., Maiorov A.I. Application of a high-resolution terahertz gas spectroscopy method to compositional analysis of thermal decomposition products of human fluids (urine) [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V.89. № 4. P. 80-90. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-04-80-90.

Ссылка на англоязычную версию:

V. L. Vaks, E. G. Domracheva, M. B. Chernyaeva, V. A. Anfertev, A. V. Maslennikova, A. V. Zheleznyak, T. D. Knyazeva, M. A. Rodionov, and A. I. Maiorov, "Application of a high-resolution terahertz gas spectroscopy method to compositional analysis of thermal decomposition products of human fluids (urine)," Journal of Optical Technology. 89(4), 243-249 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000243

Аннотация:

Предмет исследования. В работе исследован состав продуктов термического разложения образцов биологических жидкостей урины, взятых до и после проведения химиотерапии у пациентов с онкологическими заболеваниями, с целью выявления маркеров, отражающих воздействие платиносодержащей химиотерапии, в том числе нефротоксическое, на организм человека. Метод. Перспективным подходом для исследования многокомпонентных газовых смесей различного происхождения, в том числе биологического, является молекулярная спектроскопия поглощения, в частности нестационарная спектроскопия терагерцового частотного диапазона. В терагерцовом частотном диапазоне (0,100–10 ТГц) лежат линии вращательного спектра, а также низкочастотные колебательные спектры молекул. При детектировании излучения, прошедшего через газообразный образец, в спектре регистрируются линии поглощения, являющиеся однозначной характеристикой конкретных веществ. По наличию этих линий поглощения можно говорить о присутствии данных веществ в исследуемой многокомпонентной газовой смеси, а, следовательно, выявить потенциальные маркеры патологий, заболеваний и маркеры, характеризующие эффекты различного воздействия на организм человека, включая медикаментозное. Основные результаты. Выявлена совокупность метаболитов, появляющихся при термическом разложении образцов, проведено сравнение состава газообразных продуктов терморазложения урины больных и условно здоровых добровольцев, а также состава продуктов терморазложения образцов урины, взятых у пациентов с онкологическими заболеваниями до и после проведения химиотерапии. Практическая значимость. Представленный подход является перспективным для разработки метода неинвазивного исследования, позволяющего оценить воздействие химиотерапии на организм человека.

Ключевые слова:

спектроскопия высокого разрешения, терагерцовый частотный диапазон, метаболиты, урина, платиносодержащая химиотерапия

Благодарность:

работы по разработке и реализации спектрометра с быстрым прохождением частоты выполнены за счёт гранта Российского научного фонда № 21-19-00357, https://rscf.ru/project/21-19-00357/; исследования состава продуктов термического разложения образцов урины условно здоровых добровольцев и онкологических пациентов до и после химиотерапии выполнены за счёт гранта Российского научного фонда № 21-72-30020, https://rscf.ru/project/21-72-30020/.

Коды OCIS: 300.6495, 300.6390, 300.6320, 170.1470

Список источников:

1. Amann A., de Lacy Costello B., Miekisch M., Schubert J. et al. The human volatilome: volatile organic compounds (VOCs) in exhaled breath, skin emanations, urine, feces and saliva // J. Breath Res. 2014. V. 8. P. 034001 (17pp).

2. de Lacy Costello B., Amann A., Al-Kateb H., Flynn C. et al. A review of the volatiles from the healthy human body // J. Breath Res. 2014. V. 8. P. 014001 (29pp).

3. Vaks V., Domracheva E., Chernyaeva M., Maslennikova A. et al. Application of THz fast frequency sweep spectrometer for investigation of chemical composition of blood // J Infrared Milli Terahz Waves. 2020. V. 41. P. 1114–1120.

4. Lykina A.A., Nazarov M.M., Konnikova M.R., Mustafin I.A. et al. Terahertz spectroscopy of diabetic and non-diabetic human blood plasma pellets // J. Biomed. Opt. 2021. V. 26. Iss. 4. P. 043006.

5. Lykina A.A., Anfertev V.A., Domracheva E.G., Chernyaeva M.B. et al. Terahertz high-resolution spectroscopy of thermal decomposition gas products of diabetic and non-diabetic blood plasma and kidney tissue pellets. // J. Biomed. Opt. 2021. V. 26. Iss. 4. P. 043008.

6. Gao Y. Roadmap to the urine biomarker era // MOJ Proteomics Bioinform. 2014. V. 1. Iss. 1 P. 00005.

7. Кистенев Ю.В., Тетенева А.В., Сорокина Т.В., Князькова А.И. и др. Диагностика диабета на основе анализа выдыхаемого воздуха методом терагерцовой спектроскопии и машинного обучения // Оптика и спектроскопия. 2020. № 6. С. 805–810.

8. Mochalski P., Unterkofler K. Quantification of selected volatile organic compounds in human urine by gas chromatography selective reagent ionization time of flight mass spectrometry (GC-SRI-TOF-MS) coupled with headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) // Analyst. 2016. V. 141. P. 4796.

9. Gao Q., Su X., Annabi M.H., Schreiter B.R. et al. Application of urinary volatile organic compounds (VOCs) for the diagnosis of prostate cancer // Clinical Genitourinary Cancer. 2019. V. 17. № 3. P. 183–190.

10. Wang Zh., Wang Ch. Is breath acetone a biomarker of diabetes? A historical review on breath acetone measurements // J. Breath Res. 2013. № 7. P. 037109 (18pp).

11. Вакс В.Л., Анфертьев В.А., Балакирев В.Ю., Басов С.А., Домрачева Е.Г., Иллюк А.В., Куприянов П.В., Приползин С.И., Черняева М.Б. Спектроскопия высокого разрешения терагерцевого частотного диапазона для аналитических приложений // УФН. 2020. Т. 190. № 7. С. 765–776.

12. Khodos V.V., Ryndyk D.A., Vaks V.L. Fast passage microwave molecular spectroscopy with frequency sweeping // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2004. V. 25. P. 203–208.

13. Pickett H.M., Cohen E.A., Drouin B.J., Pearson J.C. et al. Submillimeter, millimeter, and microwave spectral line catalog. JPL molecular spectroscopy // California Institute of Technology. http://spec.jpl.nasa.gov/ftp/pub/catalog/catform.html.

14. Endres C.P., Schlemmer S., Schilke P., Stutzki J., Müller H.S.P. The cologne database for molecular spectroscopy, CDMS, in the virtual atomic and molecular data centre, VAMDC // J. Mol. Spectrosc. 2016. V. 327. P. 95–104.

15. Yablokov V.A., Vasina Ya.A., Zelyaev I.A., Mitrofanova S.V. Kinetics of thermal decomposition of sulfur-containing amino acids // Russian Journal of General Chemistry. 2009. V. 79. № 6. P. 1141–1145.

16. Аль-Шукри С.Х., Голощапов Е.Т., Эмануэль Ю.В., Горбачев М.И. Белок Тамма–Хорсфалла — потенциальный маркер ранних стадий мочекаменной болезни и рецидивного камнеобразования // Урологические ведомости. 2012. Т. II. № 1. С. 26–28.

17. Папаян А.В., Лысовая H.A. Роль белка Тамма–Хорсфалла при заболеваниях почек // Нефрология. 2002. Т. 6. № 3. С. 28–36. 18. Wu Tsai-Hung, Li Ko-Jen, Yu Chia-Li, Tsai Chang-Youh. Tamm–Horsfall protein is a potent immunomodulatory molecule and a disease biomarker in the urinary system // Molecules. 2018. V. 23. P. 200 (1–14).