Статья опубликована в рамках: XVIII Международной научно-практической конференции «Естественные и математические науки в современном мире» (Россия, г. Новосибирск, 06 мая 2014 г.)

Наука: Химия

Секция: Медицинская химия

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Садвакас А.С. НЕЙРОСЕТЕВОЙ АНАЛИЗ ИНДИКАТОРОВ ОКСИДАТИВНОГО СТРЕССА ПРИ КАНЦЕРОГЕНЕЗЕ // Естественные и математические науки в современном мире: сб. ст. по матер. XVIII междунар. науч.-практ. конф. № 5(17). – Новосибирск: СибАК, 2014.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

НЕЙРОСЕТЕВОЙ  АНАЛИЗ  ИНДИКАТОРОВ  ОКСИДАТИВНОГО  СТРЕССА  ПРИ  КАНЦЕРОГЕНЕЗЕ

Садвакас  Айман  Садвакасовна

старший  научный  сотрудник  Научной  клинико-диагностической  лаборатории  Казахского  Национального  Медицинского  Университета  им.  С.Д.  Асфендиярова,  Республика  Казахстан,  г.  Алматы

E -mailaiman.sadvakas@gmail.com

 

NEURAL  NETWORK  ANALYSIS  OF  INDICATORS  OF  OXIDATIV  STRESS  IN  CARCINOGENESIS

Aiman  Sadvakas

senior  Research  Associate  of  Scientific  clinical  diagnostic  laboratory  of  Kazakh  National  Medical  University  named  after  S.  Asfendiyarov Republic  of  Kazakhstan  Almaty

 

АННОТАЦИЯ

Цель:   Определение  степени  корреляционной  зависимости  изменений  производных  гемоглобина  в  зависимости  от  стадии  протекания  канцерогенеза  у  50  онкологических  больных.  Проводился  анализ  крови  на  анализаторе  газов  и  кислотно-щелочного  состояния.  В  результате  исследования  были  получены  данные  об  изменении  фракций  гемоглобина  в  зависимости  от  стадии  канцерогенеза.  При  I  и  II  стадии  канцерогенеза  результатом  ответа  на  тканевую  гипоксию  является  снижение  сродства  гемоглобина  к  кислороду.  В  дальнейшем  повреждаются  дыхательные  функции  гемоглобина.

ABSTRACT

Aim:   To  define  the  degree  of  correlation  dependence  the  changes  in  a  range  of  hemoglobin  derivatives  depending  on  the  stage  of  carcinogenesis  in  50  cancer  patients.  Blood  gas  analysis  was  carried  out  and  the  alkaline  status  was  obtained.  The  data  confirmed  the  change  of  fractions  of  hemoglobin  depending  on  the  stage  of  malignancy.  In  the  first  and  second  stage  of  carcinogenesis,  there  is  a  decrease  in  the  affinity  of  hemoglobin  to  oxygen,  which  results  in  tissue  hypoxia.  There  are  conformational  changes  to  the  structure  of  hemoglobin  due  to  an  imbalance  of  its  fraction  in  the  different  stages  of  carcinogenesis.

 

Ключевые  слова:  нейросетевой  анализ;  фракции  гемоглобина;  канцерогенез;  тканевая  гипоксия;  оксидативный  стресс.

Keywords:   neural  network  analysis;  hemoglobin  fractions;  carcinogenesis;  tissue  hypoxia;  oxidative  stress.

 

В  последнее  время  в  вычислительных  технологиях  интенсивно  развивается  область  исследования  с  помощью  нейронных  сетей,  которые  выполняют  функции  искусственного  интеллекта  путем  реализации  интеллектуальных  вычислительных  систем.  С  математической  точки  зрения  нейронные  сети  осуществляют  многопараметрическую  задачу  нелинейной  оптимизации,  а  с  точки  зрения  вычислительной  техники  нейронные  сети  решают  проблемы  эффективного  параллелизма.  Возможность  обучения  -  одно  из  главных  преимуществ  нейронных  сетей  перед  традиционными  алгоритмами,  так  как  в  процессе  обучения  нейронная  сеть  способна  выявлять  сложные  зависимости  между  входными  и  выходными  данными  с  последующим  их  обобщением.  Неслучайно  в  виду  этих  особенностей  нейронные  сети  находят  в  последнее  время  широкое  применение  в  различных  областях  науки,  в  том  числе  и  в  медицине.

Многочисленными  исследованиями  доказано,  что  развитие  канцерогенеза  во  многих  случаях  может  быть  инициировано  механизмами  оксидативного  стресса  в  результате  значительного  дисбаланса  между  свободными  радикалами  и  антиоксидантами.  Спектр  свободных  радикалов,  ответственных  за  биологическую  кислородную  токсичность,  включает  такие  промежуточные  звенья  неполного  восстановления  кислорода,  как  супероксидный  радикал  (O2),  перекись  водорода  (H2O2),  гидроксильные  радикалы  (HO),  радикальный  пероксид  (ROO),  оксид  азота  (NO),  пероксинитрит  (ONOO¯)  и  синглетный  кислород  (1O2)  [3,  с.  290].

Свободнорадикальное  окисление  является  основным  фактором  активации  перекисного  окисления  липидов  (ПОЛ)  в  мембранах  в  результате  цепной  реакции  воздействия  радикалов  HO  и  RO:

 

R1H  +  R▪  →  R1  +  RH

R▪  +  O→  ROO

R1H  +  ROO¯  →  R1  +  ROOH

 

Эти  реакции  приводят  к  окислительному  разрушению  липидов,  в  результате  чего  повреждается  ДНК  и  инактивируются  ферменты  [2,  с.  2588].

Из-за  способности  перемещать  электроны  значительную  роль  в  образовании  свободных  радикалов  играют  состояния  переходов  валентности  металлов.  Например,  переход  валентности  железа  Fe,  известный  как  реакция  Хабер-Вейсса  или  химия  Фентона,  является  токсичным  из-за  продукции  радикальных  гидроксилов  [4,  с.  768]:

 

Fe  3+  +  O  →  Fe  2+  +  O2

Fe  2+  +  H2O2  →  OH  +  OH¯

 

Как  известно,  железо  Fe  с  валентностью  (II)  содержится  в  гетероциклическом  кольце  порфирина,  который  входит  в  состав  гемоглобина.  Поэтому  специфическая  функция  гемоглобина,  как  переносчика  кислорода,  непосредственно  связана  с  его  молекулярной  структурой  (рис.  1).

 

Рисунок  1.  Структура  гемоглобина

 

По  разным  лигандам,  присоединяемым  к  гетероциклическому  кольцу,  различаются  также  и  формы  гемоглобина.  Если  присоединяется  кислород,  то  такая  форма  гемоглобина  называется  оксигемоглобин  (HbO2),  а  если  она  свободна,  то  это  —  дезоксигемоглобин  (НHb).  Кислород  в  HbO2  может  заменяться  и  другими  нейтральными  лигандами,  такими  как  СO  и  NO.  Эти  формы  соответственно  называются  —  карбоксигемоглобин  (HbСО),  нитрозогемоглобин  (HbNO).  В  перечисленных  формах  валентность  железа  обычно  не  меняется  (рис.  2)  [1,  с.  56].

 

Рисунок  2.  Валентность  железа  Fe2+  не  меняется

 

Однако  железо  (II)  в  гемоглобине  может  окисляться  до  трехвалентного  (III)  состояния  с  образованием  метгемоглобина  (MetHb),  не  способного  переносить  кислород.  В  нормальных  условиях  в  крови  обычно  содержатся  незначительные  количества  метгемоглобина.  При  развитии  же  оксидативного  стресса  (рис.  3)  и  взаимодействии  со  свободными  радикалами  содержание  метгемоглобина  значительно  повышается  [6,  с.  156]:

 

HbO2  +  NO2→  MetHb  +  O22-  +  NO2

HbO2  +  NO2•  →  MetHb  +  O2NOO-

O2NOO+  O22-  →  NO+  2O22-

O2-  +  NO2  →  1O2  +  NO2

 

Рисунок  3.  Изменение  валентности  железа  при  оксидативном  стрессе

 

Активация  свободнорадикального  окисления,  при  котором  органические  вещества  подвергаются  неферментативному  окислению  молекулярным  кислородом,  приводит  к  возникновению  тканевой  гипоксии.  При  тканевой  гипоксии  присутствие  множества  митохондрий  в  эритроцитах  несовместимо  с  функцией  переноса  этими  клетками  кислорода  из-за  неизбежной  конкуренции  за  кислород  между  митохондриями  и  армадой  молекул  гемоглобина  и,  следовательно,  нереализуемости  в  составе  таких  эритроцитов  «гемоглобинового»  механизма  депонирования  и  транспорта  кислорода  [6,  с.  161].

Гипоксия  является  одним  из  важных  факторов  развития  канцерогенеза,  так  как  приводит  к  повышенной  метаболической  активности.  При  этом  гипоксия  становится  мощным  индуктором  экспрессии  генов,  вовлекающихся  в  гликолиз  для  поддержания  клеточной  энергии,  приводя  в  дальнейшем  к  угнетению  процессов  окислительного  фосфорилирования.  Согласно  известной  концепции  (Warburg,  1930,  1957)  ослабление  клеточного  дыхания  и  разобщение  окислительного  фосфорилирования  являются  начальным  этапом  возникновения  неоплазм.  В  этих  процессах  отмечается  высокая  скорость  гликолиза  с  повышенным  поглощением  глюкозы  и  увеличением  образования  лактата  (рис.4).  Разобщение  дыхания  и  фосфорилирования  в  процессе  канцерогенеза  приводит,  как  правило,  к  энергетическому  голоданию  клетки  и  к  дальнейшему  преобладанию  процессов  распада  над  процессами  синтеза,  т.  е.  к  дедифференциации  клетки,  что  является  одним  из  основных  проявлений  малигнизации  [2,  с.  2592].

 

Рисунок  4.  Механизмы  тканевой  гипоксии,  развивающейся  при  оксидативном  стрессе

 

У  50  онкологических  больных,  разделенных  на  2  группы:  15  человек  с  I  и  II  стадией,  35  человек  —  с  III  стадией  была  исследована  кровь  на  анализаторах  газов  Cobas  B  221(Roche,  Германия)  и  ABL  800  Flex  (Radiometer,  Дания)  для  определения  следующих  показателей:  рН;  парциального  давления  газов  pCO2  и  pO2;  полной  оксиметрии  —  общего  гемоглобина  tHb,  карбоксигемоглобина  COHb,  дезоксигамоглобина  HHb,  оксигемоглобина  O2Hb,  метгемоглобина  MetHb,  индекса  сатурации  sO2;  кислотного  и  щелочного  статуса  —  буферной  емкости  BC  и  содержания  угольной  кислоты  HCO3;  содержание  лактата  Lactat  (молочной  кислоты).  Больные  были  со  следующими  нозологическими  формами  рака:  кожи,  мягких  тканей,  костей,  легких,  желудка,  пищевода,  тонкого  и  толстого  кишечника,  поджелудочной  железы,  печени,  желчного  протока,  почек,  надпочечников,  мочевого  пузыря,  предстательной  железы,  молочных  желез,  яичников,  маточной  трубы;  со  следующими  морфологическими  формами:  аденокарцинома,  внутри-протоковый  рак,  плоскоклеточный  рак,  базальноклеточный  рак,  хромофильный  рак  почки,  гепатобластома,  мезенхимальная  хондросаркома,  остеогенная  саркома,  медуллярный  рак.

Полученные  данные  представлены  в  Таблице  1.

Таблица  1. 

Параметры  газов,  оксиметрии  и  кислотно-щелочного  состояния  крови

Стадия  канцерогенеза

pH

Парциальное  давление  газов

Оксиметрия

%

Кислотный  и  щелочной  статус

Молочная  кислота

 

pCO2

pO2

tHb

sO2

O2Hb

COHb

HHb

MetHb

BC

HCO3

Lactat

I

N

N

N

N

N

N

N

N

II

N

N

↑↑

↑↑

III

↓↓

↑↑

↓↓

N

N

↑↑↑

↑↑↑

↑↑

↓↓↓

↓↓

↑↑↑

IV

↓↓

↑↑↑

↓↓↓

N

N

↑↑↑

↑↑↑

↑↑↑

↓↓↓

↓↓↓

↑↑↑

↓  или  ↑  —  одна  стрелка  указывает  на  тенденцию  снижаться  или  повышаться  от  нормальных  значений  от  5  до  15  %;

↓↓  или  ↑↑  —  две  стрелки  указывают  на  тенденцию  снижаться  или  повышаться  от  нормальных  значений  от  16  до  30  %;

↓↓↓  или  ↑↑↑  —  три  стрелки  указывают  на  тенденцию  снижаться  или  повышаться  от  нормальных  значений  свыше  30  %.

 

Обработка  данных  проводилась  в  БГУ  (Белорусском  Государственном  Университете)  профессором  факультета  физики  Э.А.  Чернявской  и  профессором  факультета  радиофизики  и  компьютерных  технологий  В.А.  Саечниковым.

Последовательно  использовался  итерационный  метод  обработки  данных:

·     сначала  весь  массив  данных  был  обработан  на  восстановление  пропущенных  данных;

·     из  массива  данных  методом  главных  принципиальных  компонент  были  выделены  интегрированные  переменные,  имеющие  наибольшую  корреляцию; 

·     каждый  двухкомпонентный  массив  был  обработан  нейронной  сетью  —  многослойным  персептроном  по  двум  группам  больных:  первая  —  с  I  и  II  стадией,  вторая  —  с  III  стадией.

В  итоге  корреляция  первой  компоненты  составила  67,4  %  (рис.  5);  второй  компоненты  —  13,2  %  (рис.  6);  корреляция  третьей  компоненты  —  6,2  %  (рис.  7).  Корреляционная  зависимость  по  всем  3-м  компонентам  составила  86,9  %  (рис.  8)  [5,  с.  222].

 

Рисунок  5.  Корреляция  1-й  компоненты  составляет  67,4  %  (Э.А.  Чернявская  и  А.В.  Саечников,  2013)

 

Рисунок  6.  Корреляция  2-й  компоненты  составляет  13,2  %  (Э.А.  Чернявская  и  А.В.  Саечников,  2013)

 

Рисунок  7.  Корреляция  3-й  компоненты  составляет  6,2  %  (Э.А.  Чернявская  и  А.В.  Саечников,  2013)

 

Рисунок  8.  Корреляция  по  всем  3-м  компонентам  составляет  86,9  %  (Э.А.  Чернявская  и  А.В.  Саечников,  2013)

 

В  результате  исследования  были  получены  данные,  косвенно  подтверждающие  повреждение  дыхательной  функции  гемоглобина  в  виде  дисбаланса  его  фракций  в  зависимости  от  выраженности  оксидативного  стресса  и  стадии  протекания  канцерогенеза:  при  I  стадии  и  II  стадии  снижаются  показатели  оксигемоглобина  и  индекса  сатурации  (показывающего  степень  насыщения  кислородом),  повышается  содержание  дезоксигеимоглобина  HHb;  при  III  стадии  повышаются  показатели  карбоксигемоглобина  COHb,  дезоксигемоглобина  HHb  и  метгемоглобина  MetHb.  В  начальных  I  и  II  стадиях  снижение  сродства  гемоглобина  к  кислороду  sO2  показывает  об  образовании  прочных  комплексов  с  радикалом,  что  характеризует  начальные  стадии  оксидативного  стресса.

Повышение  метгемоглобина  MetHb  характеризует  состояние  метгемоглобинемии,  при  которой  не  только  часть  гемов  выключается  из  транспорта  кислорода,  но  и  оставшийся  оксигемоглобин  имеет  искаженную  гиперболическую  кривую  диссоциации  и  отдает  тканям  меньше  кислорода.  Повышение  карбоксигемоглобина  COHb,  не  способного  переносить  кислород,  усугубляет  течение  тканевой  гипоксии.  Полученные  параметры  при  III  стадии  канцерогенеза  характеризуют  конформационные  изменения  в  структуре  гемоглобина  в  связи  с  глубокими  нарушениями  тканевого  дыхания.

В  заключение  можно  сделать  следующий  вывод.  Проведенные  исследования  позволяют  рассматривать  поврежденные  фракции  гемоглобина  как  индикаторы  оксидативного  стресса  при  канцерогенезе.  Используя  аналогичную  обработку  данных  можно  определять  принадлежность  больных  к  группе  риска  по  канцерогенной  заболеваемости.

 

Список  литературы:

1.Трегубов  A.A.  Нарушение  дыхательной  функции  крови  при  некоторых  патологических  состояниях,  Ленинград:  Военно-медицинская  академия  им.  С.М.  Кирова,  1947.  —  123  с.

2.Floyd  R.A.  Role  of  oxygen  free  radicals  in  carcinogenesis  and  brain  ischemia.  FASEB  J.  1990  Jun;  4(9):  2587-97.  —  P.  2587.

3.Klauning  J.E.  et  al.  The  Role  of  Oxidative  Stress  in  Chemical  Carcinogenesis.  Environmental  Health  Perspectives  V.106  Supplement  1  February  1998  —  P.  289—295.

4.Nelson  R.L.  Dietary  iron  and  cancer  risk.  Free  Radic.  Biol.  Med.  12:161-168  (1992).

5.Sadvakas  A.,  Therniavskaia  E.A.,  and  SaetchnikovA.V.  International  Journal  of  Molecular  medicine.  Volume  32,  Supplement  1,  2013.  —  P.  222.

6.Stevens  R.G.,  Nerishi  K.  Iron  and  oxidative  stress  in  human  cancer.  In:  Biological  Consequences  of  Oxidative  Stress:  Implication  for  Cardiovascular  Disease  and  Carcinogenesis  (Spatz  L.,  Bloom  A.D.,  etc).  New  York:  Oxford  University  Press,  1992,  —  P.  138—161. 

Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий