Исследование состава метаболитов тканей ЛОР-органов методом ТГц спектроскопии высокого разрешения

Аннотация

В последнее время в медицинской диагностике все чаще применяются физические и физико-химические методы анализа, такие как газовая хроматография, масс-спектрометрия, ИК и ТГц спектроскопия. С их помощью можно выявить вещества, характерные для того или иного заболевания - метаболиты. Составление метаболического профиля позволит ускорить и облегчить процесс диагностики заболевания, оценить стадию и этиологию, а также спрогнозировать терапию. Актуальным является изучение состояния органов уха-горла-носа (ЛОР), как одного из основных путей проникновения в организм человека инфекций, вирусов и др. Но в литературе и базе данных метаболомов человека данных о метаболитах при заболеваниях ЛОР-органов нет. Работа посвящена анализу состава метаболитов тканей ЛОР-органов методом ТГц спектроскопии высокого разрешения и сопоставлению состава метаболитов, образующихся при термическом разложении относительно здоровой слизистой оболочки, полипа клиновидной пазухи и кисты верхнечелюстной пазухи. Исследования проводились с использованием разработанных авторами ТГц спектрометров высокого разрешения, работающих в диапазоне 118-178 ГГц. Идентификацию веществ по линиям поглощения проводили с использованием электронных баз данных. Для оценки метаболитов проводили качественный анализ химического состава продуктов термического разложения и сравнение полученных спектров веществ и количества линий поглощения в образцах. Анализ результатов показал, что во всех образцах присутствуют такие вещества, как спирты, ряд нитрилов, серные соединения. Однако в спектре относительно здоровой слизистой количество линий поглощения этих веществ значительно меньше, чем в спектрах полипа и кисты, что свидетельствует об их меньшей концентрации. Кроме того, в спектрах полипа и кисты появляются линии поглощения, соответствующие таким веществам, как кетоны, нитрилы, альдегиды, кислоты, при этом их концентрации существенно различаются. Таким образом, показана потенциальная возможность использования ТГц спектроскопии высокого разрешения для анализа состава метаболитов тканей ЛОР-органов.

• ТГц спектроскопия
• метаболиты
• относительно здоровая слизистая
• полип клиновидной пазухи
• киста верхнечелюстной пазухи
• спектр поглощения
• химический состав
• продукты термического разложения

Abstract (in English)

Study of the metabolites composition for tissues of the ear-nose-throat organs by high resolution THz spectroscopy

Recently, physical and physicochemical methods of analysis, such as gas chromatography, mass spectrometry, IR and THz spectroscopy, are increasingly used in medical diagnostics. With their help, it is possible to identify substances, the so-called metabolites, characteristic of a particular disease. Compiling a metabolic profile will speed up and facilitate the process of diagnosing a disease, assess the stage and etiology, and predict therapy. It is relevant to study the state of the ear-nose-throat (ENT) organs, as one of the main ways of penetration into the human body of infections, viruses, etc. But in the literature and the database of human metabolomes, there are no data on metabolites in diseases of the ENT organs. The work is devoted to analyzing the metabolites composition of the ENT organs tissues by high-resolution THz spectroscopy and the comparison of the metabolite’s composition, which are formed during thermal decomposition of a relatively healthy mucosa, a sphenoid sinus polyp and a cyst of the maxillary sinus. The studies were carried out using high-resolution THz spectrometers developed by the authors, operating in the range of 118-178 GHz. Substances were identified using electronic databases. A qualitative analysis of the chemical composition of the thermal decomposition products and a comparison of the obtained spectra of substances and the number of absorption lines of samples to evaluate the metabolites were performed. Analysis of the results showed that all samples contained substances such as alcihols, nitriles, sulfur compounds. However, in the spectrum of a relatively healthy mucosa, the number of absorption lines of these substances is much less than in the spectra of a polyp and a cyst, which indicates their lower concentration. In addition, absorption lines appear in the spectra of the polyp and cyst, corresponding to substances such as ketones, nitriles, aldehydes, acids, at that their concentrations differ significantly. Thus, the potential possibility of using high-resolution THz spectroscopy for the analysis of the composition of metabolites of ENT tissues has been shown.

Для цитирования

Литература

1. Wishart D.S., Feunang Y.D, Marcu A., et al. HMDB 4.0 - The Human Metabolome Database for 2018. Nucleic Acids Res. 2018. V.46. №D1. P.D608-617.
2. Вакс В.Л., Анфертьев В.А., Балакирев В.Ю., и др. Спектроскопия высокого разрешения терагерцевого частотного диапазона для аналитических приложений. Успехи физических наук. 2020. Т.190. С.765-776. DOI: 10.3367/UFNr.2019.07.038613
3. Вакс В.Л., Домрачева Е.Г., Собакинская Е.А., Черняева М.Б. Анализ выдыхаемого воздуха: физические методы, приборы и медицинская диагностика. Успехи физических наук. 2014. Т.184. №7. С.739-758.
4. Lykina A.A., Anfertev V.A., Domracheva E.G., 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. №4. P.043008. DOI: 10.1117/1.JBO.26.4.043008
5. Vaks V., Aizenshtadt A., Anfertev V., Chernyaeva M., et al. Analysis of the Thermal Decomposition Products of Pathological and Healthy Tissues in Paranasal Sinuses: A High-Resolution Terahertz Gas Spectroscopy Study. Appl. Sci. 2021. V.11. P.7562. https://doi.org/10.3390/app11167562
6. Pickett H.M., Cohen E.A., Drouin B.J., et al. Submillimeter, Millimeter, and Microwave Spectral Line Catalog. [web]. JPL Molecular Spectroscopy California Institute of Technology. Date of access 10.10.2022. URL: http://spec.jpl.nasa.gov/ftp/pub/catalog/catform.html
7. Endres C.P., Schlemmer S., Schilke P., et al. Search and Conversion Form of the Cologne Database for Molecular Spectroscopy [web]. The Cologne Database for Molecular Spectroscopy CDMS. Date of access 10.10.2022. URL: https://cdms.astro.uni-koeln.de/cgi-bin/cdmssearch.