МЕТОД  ЛАЗЕРНОЙ  КОРРЕЛЯЦИОННОЙ  СПЕКТРОСКОПИИ  ДЛЯ  ИССЛЕДОВАНИЯ  СИСТЕМЫ  КОМПЛЕМЕНТА

Непомнящая  Элина  Константиновна

студент  Санкт-Петербургского  Государственного  Политехнического  университета,  РФ,  г.  Санкт-Петербург

E -mail:  elina.nep@gmail.com

Величко  Елена  Николаевна

канд.  техн.  наук,  доцент  Санкт-Петербургского  Государственного  Политехнического  университета,  РФ,  г.  Санкт-Петербург

E -mail:  velichko-spbstu@yandex.ru

Аксёнов  Евгений  Тимофеевич

д-р  физ-мат.  наук,  профессор  Санкт-Петербургского  Государственного  Политехнического  университета,  РФ,  г.  Санкт-Петербург

E -mail:  et.akenov@gmail.com

Богомаз  Татьяна  Александровна

канд.  мед.  наук,  инженер  Санкт-Петербургского  Государственного  Политехнического  университета,  РФ,  г.  Санкт- Петербург

E-mail: 

METHOD  OF  LASER  CORRELATION  SPECTROSCOPY  FOR  RESEARCH  OF  THE  COMPLEMENT  SYSTEM

Nepomniashchaia  Elina

student  of  St.  Petersburg  State  Polytechnic  University,  Russia,  St.  Petersburg

Velichko  Elena

candidate  of  Science,  associate  professor  of  St.  Petersburg  State  Polytechnic  University,  Russia,  St.  Petersburg

Aksenov  Evgeny

doctor  of  Science,  professor  of  St.  Petersburg  State  Polytechnic  University,  Russia,  St.  Petersburg

Bogomaz  Tatiana

candidate  of  Science,  engineer  of.  St.  Petersburg  State  Polytechnic  University,  Russia,  St.  Petersburg

АННОТАЦИЯ

Работа  посвящена  развитию  метода  лазерной  фотон-корреляционной  спектроскопии  для  целей  медицинской  диагностики.  Рассматривается  задача  исследования  белков,  составляющих  систему  комплемента  (иммунитет  человека),  в  плазме  крови.  Представлена  схема  лазерного  корреляционного  спектрометра  и  предложенный  алгоритм  обработки  сигналов.  Получены  данные  по  оценке  распределения  белковых  конгломератов  по  размерам.

ABSTRACT

The  development  of  a  laser  photon-correlation  spectroscopy  method  for  medical  diagnostics  is  considered.  The  problem  of  investigation  of  the  blood  plasma  proteins  of  a  complement  system  (or  person  immunity)  is  discussed.  The  scheme  of  photon-correlation  spectrometer,  algorithm  of  signal  processing  and  data  on  protein  size  distribution  are  presented.

Ключевые  слова:   лазерное  светорассеяние;  корреляционная  спектроскопия;  система  комплемента.

Keywords:   laser  light  scattering;  correlation  spectroscopy;  complement  system 

Известно,  что  болезни,  связанные  с  нарушением  иммунного  ответа  организма,  вызывают  изменения  состава  и  динамики  активации  белков  системы  комплемента  [1—2].  Исследование  связанных  с  этими  изменениями  параметров  позволяет  производить  диагностику  аутоиммунных  заболеваний  на  ранних  стадиях,  а  так  же  изучать  новые  лекарственные  препараты. 

Метод  лазерной  корреляционной  спектроскопии  (ЛКС)  довольно  давно  применяется  для  исследования  биологических  объектов  в  естественной  среде,  однако,  ряд  трудностей,  таких  как  большая  стоимость  и  отсутствие  специализации  для  изучения  динамики  активации  белковых  комплексов  [3;  6],  заставили  отказаться  от  использования  коммерческих  приборов  на  основе  лазерной  корреляционной  спектроскопии.  В  связи  с  этим  для  исследования  белков  системы  комплемента  была  разработана  и  создана  экспериментальная  установка,  позволяющая  получать  сигнал  светорассеяния  и  производить  дальнейшую  его  обработку  различными  методами  (рис.  1).  Основными  компонентами  прибора  являются  источник  излучения  —  полупроводниковый  лазер  видимого  диапазона  длин  волн,  столик  для  размещения  кюветы  с  исследуемым  объектом,  ФЭУ  в  качестве  устройства  регистрации  рассеянного  излучения  и  компьютер  для  записи  и  обработки  получаемых  сигналов.

Рисунок  1  Схема  лабораторной  установки  для  регистрации  рассеянного  излучения.  1  —  источник  питания;  2  —  полупроводниковый  лазер;  3  —  фокусирующая  линза;  4  —  кювета  с  раствором;  5  —  оптическое  волокно;  6  —  ФЭУ;  7  —  источник  питания  ФЭУ;  8  —  осциллограф;  9  —  компьютер

Сигнал  светорассеяния  на  компьютере  подвергался  корреляционной  обработке,  вычислялась  автокорреляционная  функция,  вид  которой  можно  описать  формулой  [4]:

,                                      (1)

где:  Г  —  диффузное  уширение, 

А( Г)  —  интенсивность  рассеяния  на  частицах, 

t  —  время  корреляции.

Для  вычисления  размеров  частиц  коэффициент  Г  связывают  с  коэффициентом  диффузии  D:  Г  =  Dq²  (q  =  (4πn/λ)sin(θ/2)  —  вектор  рассеяния,  n  —  коэффициент  преломления  среды,  l  —  длина  волны,  q  —  угол  регистрации  рассеяния),  и  используют  формулой  Стокса-Эйнштейна: 

                                                    (2)

(h  —  вязкость  среды,  k_b  —  постоянная  Больцмана,  Т  —  температура,  R  —  радиус).

Для  нахождения  коэффициентов  Г  в  уравнении  (1)  необходимо  использование  специальных  методов  решения  обратных  некорректных  задач.  Нами  был  выбран  метод  регуляризации  Тихонова,  дающий  наиболее  точные  результаты.  Кроме  того  была  разработана  оригинальная  программа  обработки  экспериментальных  данных  на  основе  метода  регуляризации  Тихонова  [5].

Здесь  вместо  уравнения  (1)  решается  задача  минимизации  невязки:

min(║kA  –  G║²  +  α║A║²).                                       (3)

Параметр  α  —  регуляризирующее  слагаемое,  оно  позволяет  избавиться  от  шумовых  помех  в  сигнале.

Алгоритм  программы  заключался  в  следующем:

1.  задание  начального  (достаточно  большого)  значения  α;

2.  решение  уравнения  (3);

3.  вычисление  невязки  по  найденному  в  предыдущем  пункте  решению;

4.  при  превышении  невязки  заранее  заданного  уровня  шума:  уменьшение  α  и  возврат  к  решению  (3);

5.  проверку  наличия  отрицательных  решений.

Все  отрицательные  решения  приравниваются  к  нулю  и  исключаются  из  дальнейших  расчётов.  Полученные  данные  представляют  собой  таблицу  амплитуд  коэффициентов  Г.

Работоспособность  установки  и  предложенного  алгоритма  обработки  подтвердились  модельными  экспериментами  с  использованием  суспензий  микросфер  фиксированного  размера. 

Результаты  исследования  белков  в  крови  человека  позволяют  судить  о  размерах  белков  и  белковых  комплексов,  а  также  различать  отдельные  группы  белков.  На  рис.  2  приведена  характерная  картина  распределения  белков  в  плазме  крови  человека  по  размерам.  По  вертикали  отложено  относительное  количество  белка,  по  горизонтали  —  радиус  в  нанометрах.

Рисунок  2  Распределение  белков  по  размерам  в  сыворотке  крови

Разработанная  установка  и  алгоритм  обработки  данных  позволяют  отслеживать  распределения  белковых  конгломератов  по  размерам  в  крови  человека.  Полученные  результаты  дают  возможность  в  дальнейших  исследованиях  выявить  этапы  активации  системы  комплемента  и  степень  задействования  в  них  отдельных  белковых  комплексов.  Что,  в  свою  очередь,  позволит  проводить  диагностику  иммунного  ответа  организма  при  различных  заболеваниях  и  оценку  эффективности  проводимого  лечения.

Список   литературы:

1.Дубовой  Р.М.,  Алчинова  И.Б.,  Бобровницкий  И.П.  Взаимосвязь  между  метаболическими  сдвигами  и  содержанием  ряда  элементов  в  биосубстратах  человека  //  Вестник  восстановительной  медицины.  —  2009.  —  №  2.  —  С.  42—44. 

2.Ковалева  О.И.,  Ушаков  А.А.,  Лебедева  М.А.  Новые  подходы  к  ранней  диагностике  заболеваний  системы  крови  //  Кремлевская  медицина.  Клинический  вестник.  —  2004.  —  №  3.  —  С.  11—13.

3.Крылов  Б.А.,  Гришенцев  А.Ю.,  Величко  Е.Н.  Методы  регистрации,  обработки  и  анализа  изображений.  Учебно-методическое  пособие.  СПб:  СПбГУ  ИТМО,  2010.  —  60  с.

4.Непомнящая  Э.К.,  Величко  Е.Н.,  Богомаз  Т.А.,  Аксёнов  Е.Т.  Развитие  методов  лазерной  корреляционной  спектроскопии  для  исследования  параметров  технических  и  биологических  суспензий  //  Лазеры.  Измерения.  Информация,  2014:  сб.  докладов  24  междунар.  конф.  Т.  1.  СПб:  Изд-во  Политехн.  ун-та,  2014.  —  с.  295—306. 

5.Karganov  M.,  Alchinova  I.,  Arkhipova  E.,  Skalny  A.V.  Laser  Correlation  Spectroscopy:  Nutritional,  Ecological  and  Toxic  Aspects  //  Biophysics  2012,  —  220  p.

6.Nepomnyashchaya  E.,  Velichko  E.,  Aksenov  E.,  Bogomaz  T.  Optoelectronic  method  for  analysis  of  biomolecular  interaction  dynamics  //  IOP  Journal  of  Physics:  Conference  Series,  Vol.  541.  2014,  [электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://iopscience.iop.org/1742-6596/541/1/012039;jsessionid=55236A64
A6E4D728B03CA3F6F3C385CC.c3  (дата  обращения  03.02.2015).