Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2022, № 12 · BIOMEDICAL RADIO ELECTRONICS

An application of THz gas high resolution spectroscopy method for investigation of thermal decomposition products of biological liquid (urine) of rats with dysbacteriosis

V.L. Vaks1,2, E.G. Domracheva1,2, M.B. Chernyaeva1,2, V.A. Anfertev1,2, E.S. Zhukova3, R.N. Khramov4, A.B. Gapeyev5, T.G. Shcherbatyuk3

1 IPM RAS, Nizhnii Novgorod, Russia
2 Lobachevsky University, Nizhnii Novgorod, Russia
3 Nizhny Novgorod research institute for hygiene and occupational pathology, Rospotrebnadzor, Nizhnii Novgorod, Russia
4 Institute of Theoretical and Experimental Biophysics RAS, Pushchino, Russia
5 Institute of Cell Biophysics RAS, Pushchino, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2022.12.2 UDC 535.343.4 EDN TKAFUX

Abstract

The trend towards diagnostic approach based on revealing the metabolic profile of disease is observed in current medicine. The metabolic profile of the disease is a set of metabolites - final or intermediate products of metabolism in the living body, specific for a given disease or pathology. The search for biomarkers is possible in exhaled breath, as well as in biological liquids, and last ones are often more informative, because the liquids respond fast to changes of biological organism state and substances may be present in higher concentrations than gas excretions of organism. Preclinical trials of approaches to the treatment of diseases, including socially significant ones, such as dysbacteriosis, are carries out on rodents. The thermal decomposition products content of the line of the urine samples of rats with artificially induced dysbacteriosis was studied in this work. A promising approach for studying multicomponent gas mixtures of various origins, including biological ones, is molecular absorption spectroscopy, in particular, nonstationary spectroscopy in the terahertz (THz) frequency range. When radiation that has passed through a gaseous sample is detected, absorption lines are recorded in the spectrum, which are an unambiguous characteristic of specific substances. By the presence of these absorption lines, the conclusion about the presence of these substances in the studied multicomponent gas mixture can be done, and, therefore, potential markers of pathologies, diseases and markers that characterize the effects of various effects on a living organism, can be identified. A set of metabolites appeared during thermal decomposition of urine samples of rodent (healthy, with artificially induced dysbacteriosis, with various treatment regimens) was revealed, and the compositions of gaseous products were compared. The presented approach is promising for the development of a non-invasive research method that allows to identify markers that reflect the presence of dysbacteriosis, as well as to assess the impact on the rat's organism during the therapy.

  • terahertz nonstationary gas high resolution spectroscopy
  • thermal decomposition products
  • metabolites
  • dysbacteriosis
Аннотация (на русском)

Применение метода терагерцовой газовой спектроскопии высокого разрешения для исследования состава продуктов термического разложения биологической жидкости (урины) крыс с дисбактериозом

В современной медицине развивается диагностический подход на основе выявления метаболического профиля заболевания. При этом выявляется набор метаболитов - конечных или промежуточных продуктов обмена веществ в живом организме (человека или подопытных животных), специфичных для данного заболевания или патологического состояния. Перспективными анализируемыми образцами для выявления характерных метаболитов являются биологические жидкости, поскольку они наиболее быстро реагируют на изменение состояния организма, и специфические вещества могут содержаться в них в больших концентрациях, чем в газообразных выделениях организма. В работе исследован состав продуктов термического разложения линейки образцов биологических жидкостей урины крыс с искусственно вызванным дисбактериозом. Перспективным подходом для исследования многокомпонентных газовых смесей различного происхождения, в том числе биологического, является молекулярная спектроскопия поглощения, в частности нестационарная спектроскопия терагерцового (ТГц) частотного диапазона. При детектировании излучения, прошедшего через газообразный образец, в спектре регистрируются линии поглощения, являющиеся однозначной характеристикой конкретных веществ. По наличию зарегистрированных 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 живой организм, включая медикаментозное. В работе выявлена совокупность метаболитов, появляющихся при термическом разложении образцов урины крыс (здоровых особей, с искусственно вызванным дисбактериозом, с различными схемами воздействия и лечения), проведено сравнение состава газообразных продуктов термического разложения урины для разных состояний лабораторных животных. Представленный подход является перспективным для разработки метода неинвазивного исследования, позволяющего выявить маркеры, отражающие нарушение метаболизма при дисбактериозе, а также оценить воздействие на организм в процессе проводимой терапии.

For citation

Vaks V.L., Domracheva E.G., Chernyaeva M.B., Anfertev V.A., Zhukova E.S., Khramov R.N., Gapeyev A.B., Shcherbatyuk T.G. An application of THz gas high resolution spectroscopy method for investigation of thermal decomposition products of biological liquid (urine) of rats with dysbacteriosis // Journal of Radio Electronics. – 2022. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.2

References

  1. Amann A., de Lasy Castello B., Miekish W., 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. https://doi.org/10.1088/1752-7155/8/3/034001
  2. Deda O., Gika H.G., et al. Impact of Exercise and Aging on Rat Urine and Blood Metabolome. An LC-MS Based Metabolomics Longitudinal Study. Metabolites. 2017. V.7. №1. P.10(1-15). https://doi.org/10.3390/metabo7010010
  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. https://doi.org/10.3367/UFNe.0184.201407d.0739
  4. Norris V., Molina F., Gewirtz A.T. Hypothesis: Bacteria control host appetites J. Bacteriol. 2013. V.195. №3. P.411-416. https://doi.org/10.1128/JB.01384-12
  5. 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. Успехи физических наук. 2020. Т.190. С.765-776. https://doi.org/10.3367/UFNr.2019.07.038613
  6. Черняева М.Б., Вакс В.Л., Анфертьев В.А., Домрачева Е.Г., Приползин С.И., Баранов А.Н., Тессье Р., Айзенштадт А.А., Гаврилова К.А. О продвижении метода нестационарной газовой спектроскопии, реализованного путем быстрого свипирования частоты, вверх по ТГц диапазону. Изв.ВУЗов. Радиофизика. (в печати).
  7. Биомедицинское (доклиническое) изучение лекарственных средств, влияющих на физическую работоспособность. Методические рекомендации. ФМБА России. МР.21.43-2017. Москва. 2017. 134 с.
  8. Pickett H.M., et al. Submillimeter, millimeter, and microwave spectral line catalog. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1998. V.60. №5. P.883-890.
  9. 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. https://doi.org/10.1016/j.jms.2016.03.005
  10. Таунс Ч., Шавлов А. Радиоспектроскопия. Москва, Издательство иностранной литературы. 1959. 757 с.