Выбор объектов и способы представления результатов многоэлементных анализов

01 Августа в 18:58 1803 0


Многоэлементные анализы составляют очень важную часть тестирования состояния организма человека.

Цели проведения тестов

Для доклинического выявления, диагностики, мониторинга и прогноза заболеваний, выбора правильной стратегии лечения большую значимость имеют результаты лабораторных анализов (Маршалл, 2000; табл. 1). Единственный метод оценки металл-лигандного гомеостаза (МЛГ) и выбора способов фармакологической коррекции его нарушений — это многоэлементный анализ.

Таблица 1. Цели проведения лабораторных анализов

Скрининг

Диагностика

Выявление болезни на доклинической стадии

Подтверждение или отклонение диагноза

Мониторинг

Оценка прогноза

Естественное течение заболевания или реакции на лечение

Информация о возможном исходе заболевания

Получаемые аналитические результаты представляют ценность только тогда, когда анализ проведен точно и правильно, соответствует клинической ситуации, а знаний врача достаточно для его правильной интерпретации. В первую очередь, важно правильно выбрать объект анализа.

Объекты анализа в медицине

Основная проблема при работе с биологическими объектами — обеспечить их репрезентативность. Состав элементов крови, а особенно — мочи, постоянно меняется, причем если состав крови под влиянием механизмов гомеостаза стремится к постоянству, то состав мочи, наоборот, значительно изменяется в зависимости от образа жизни, питания, питьевого режима и привычек человека, Репрезентативность данных зависит от времени и сопутствующих условий получения проб. Чрезвычайно важны процедуры взятия проб и пробоподготовки, поскольку правильность их выполнения статистическими методами оценить невозможно.

Из таблицы 2 следует, что наиболее репрезентативными объектами исследования у человека являются цельная кровь, плазма и биоптаты. Применение остальных объектов ограниченное, поскольку они обеспечивают решение только более узких вопросов - например, выявления интоксикации неизвестным металлсодержащим ядом или подтверждения диагноза. В частности, при наличии клинических показаний суточное выделение с мочой более 115 мкг Си позволяет подтвердить диагноз болезни Вильсона-Коновалова. При анализе мочи, кала, молока, слез, пота можно диагностировать интоксикацию металлсодержащими ядами.

Таблица 2. Объекты исследования у человека

Объект

Состав

Показатели

Волосы и ногти

Белок α-кератин

Наружное загрязнение

Слюна

Гликопротеины (муцины), антитела и ферменты (амилаза, липаза), вода (99,5%), соли.

Смазывающее действие и начало процесса пищеварения

Моча

0,5 - 2 л (95% воды). Состав зависит от питания, массы тела, возраста, пола, образа жизни, состояния здоровья, температуры и влажности воздуха.

Баланс жидкости, распределение электролитов, органические компоненты

Биоптаты

Биохимические характеристики разных тканей различны.

Характеристика тканей

Цельная кровь

Жидкая соединительная ткань.

Гематокрит у мужчин 40-52%, у женщин 36-48%

Эритроциты (10-15%), у мужчин 4,5-6,5×1012/л, у женщин 3,9-5,6×1012/л,

Лейкоциты у мужчин 3,7-9,5х109/л, у женщин 3,9- 11,1x109/л,

Тромбоциты — 150-400х109

Ретикулоциты + плазма.

Характеристика обмена веществ и ряда патологических состояний (анемия, лейкоз, эритроцитоз, воспаление, аллергия, дифференциальная диагностика заболеваний крови, оценка функций кроветворной и свёртывающей систем)

Плазма

Внутрисосудистая жидкость (водный раствор солей и метаболитов) + фибриноген.

Биохимические характеристики

Сыворотка

То же, но без фибриногена.

То же + продукты деградации факторов свёртывания

Безбелковый фильтрат

Водный раствор солей и низкомолекулярных метаболитов

Характеристика электролитного гомеостаза, обмен отдельных элементов.

Сперма, молоко, пот, слёзы

Водные растворы определенных веществ.

Характеристика отдельных физиологических и патологических процессов

Кости, зубы

Специализированный вид соединительной ткани (гидроксил - или карбоната-патит + коллагены и протеогликаны в составе дентина, эмали и зубного цемента).

Характеристика синтеза костной ткани, остеомаляции

На сроки взятия проб биологических жидкостей жесткие ограничения накладывает гомеостаз. Как правило, после однократного поступления в здоровый организм металлсодержащего яда содержание микроэлементов в большинстве тканей нормализуется уже через 72 часа. Анализ после этого срока может быть положительным лишь при использовании гибридных методов с разделением фракций-мишеней и при условии, что константы устойчивости образовавшихся металл-лигандных комплексов достаточно велики.

Анализ зубов и спермы, соответственно, позволяет косвенно оценить причины остеомаляции и нарушений в мочеполовой сфере у мужчин. В связи с тем, что волосы и ногти предлагают использовать в качестве объекта для получения элементограмм довольно часто, на этом объекте следует остановиться подробнее.

В состав волос и ногтей входят специфичные нерастворимые белки, так называемые тяжелые кератины. Они представляют собой внешние белки (склеропротеины, цитокератины), богатые цистином, причем аминокислотный состав разных кератинов различается. Например, кератин кожи содержит 3-5% цистина, а кератин волос — 15% (рис. 1).

Структура кератина волос

Рис. 1. Структура кератина волос

Полипептидные нити в кератине свернуты в правую α-спираль. Две такие спирали (димер) образуют единую левую суперспираль (подобно молекуле миозина). Суперспирали, в свою очередь, объединяются в тетрамеры — протофибриллы. Восемь таких протофибрилл образуют микрофибриллу. В фибриллах кортекса и в наружных клетках кутикулы отдельные цепи кератина поперечно скреплены многочисленными дисульфидпыми связями, что придает им дополнительную прочность.

Поскольку эти молекулы содержат большое количество тиоэфирных связей, они обладают хорошими донорными свойствами и легко отдают свои электроны присутствующим ионам металлов, образуя с ними комплексные хелатные соединения. Константы устойчивости таких комплексов увеличиваются при возрастании числа протонов в атомах металлов, то есть с увеличением их атомного номера.

Свойствами кератинов объясняется, почему волокна волос легко загрязняются следовыми количествами металлов, содержащимися в воздухе и воде. Кроме того, волосы и ногти, загрязненные потом и кожным салом, представляют почти идеальную питательную среду, в которой активно размножаются микроорганизмы (бактерии и грибки). В итоге анализ волос в основном даёт представление о составе микроэлементов в окружающей среде, а не в организме пациента. Однако это верно не для всех веществ. Например, механизмы накопления волосами из окружающей среды МЭ и наркотиков принципиально различаются: крупные молекулы наркотиков, в отличие от небольших атомов и ионов металлов, не проникают внутрь волос извне (Симонов с соавт., 2000). Поэтому анализ волос позволяет оцепить содержание в организме крупных молекул наркотиков, но не ионов микроэлементов.

Недооценка этих особенностей может приводить к совершенно неправильному определению причин заболевания. Например, долгое время считали, что Наполеон Бонапарт умер вследствие отравления мышьяком, поскольку в волосах у него было выявлено повышенное содержание этого полуметалла. Однако детальное исследование с помощью современной аппаратуры показало, что источником As был мундир, окрашенный мышьяксодержащей краской. К тому же, в те времена для укрепления волос в кожу головы втирали мышьяксодержащий крем. Сами по себе и краска, и крем не представляли существенной опасности для организма. А причиной смерти императора оказался рак желудка, который в то время диагностировать и лечить еще не умели.

Ценное свойство волос — долговечность и легкость хранения. Это позволяет, при условии стандартизации процедур получения, промывки, сушки, хранения и пробоподготовки, характеризовать окружающую пациента среду (воздух, воду, моющие средства, аэрозоли, пыль). P. Borella (2004) оценила гипотезу о связи между содержанием микроэлементов и сердечнососудистыми заболеваниями, однако корреляции между результатами анализов крови и волос не обнаружила. Статистический анализ более 1000 исследований состава волос показал, что величина случайных отклонений по абсолютному большинству определяемых элементов превышает средние значения (RSD > 100%). Поэтому использование таких данных для характеристики элементного профиля отдельных пациентов нельзя.

На рис. 2 видно, что элементограммы волос и крови, полученные одновременно у одного и того же пациента, разительно отличаются друг от друга. Вывод — эти данные можно использовать только для оценки загрязнения металлами популяций людей, то есть для оценки экологического состояния окружающей среды, а для оценки состояния конкретного пациента они непригодны.

Элементограммы волос и крови

Рис. 2. Элементограммы волос и крови пациента «О».

Наиболее информативно для медицинских целей исследование крови. Анализ крови — наиболее важный анализ в клинической медицине. Его проводят практически всем пациентам, поскольку он информативен при самых разных патологиях. Кровь представляет собой жидкую соединительную ткань, состоящую по массе примерно поровну из плазмы (сыворотка и фибриноген) и клеток. Кровь осуществляет в организме ряд важнейших функций (табл. 3).

Таблица 3. Функции крови

ФУНКЦИИ


1. Транспортная

Газы, питательные вещества, конечные продукты метаболизма и гормоны

2. Гомеостаз

Водный баланс, кислотно-основное равновесие, температура тела

3. Защита

Защита организма от чужеродных молекул и клеток — неспецифическая и специфическая (клетки иммунной системы и антитела)

4. Гемостаз

Система коагуляции и фибринолиза

Эти функции реализуются разными фракциями крови, разными клетками. Эритроциты переносят O2 от легких в ткани и СO2 от тканей в легкие, а также играют ведущую роль в обеспечении рН-буферной емкости крови. Лейкоциты (гранулоциты, моноциты и лимфоциты) участвуют в важнейших иммунологических реакциях — образовании антител, антитоксических, антимикробных и т.п. Тромбоциты (клеточные фрагменты крупных клеток-предшественников — мегакариоцитов костного мозга) обеспечивают гемостаз.

В плазме крови определяют не только биохимический состав, но и содержание ферментов, гормонов и антител к разным вирусам. В сыворотке, получаемой из плазмы крови, определяют более 30 компонентов, а также содержание металлов. В зависимости от цели анализа, отбор проб проводят разными способами.

Функция гемостаза проявляется свёртыванием крови (коагуляцией). Так называется процесс превращения фибриногена в фибрин, который вместе с клетками выпадает из коллоидного раствора жидкой крови в виде студнеобразного белкового сгустка. Остаётся сыворотка. Если для анализа требуется только она, то кровь отбирают в чистые сухие пробирки. При загрязнении будет происходить гемолиз — разрушение клеток крови, в частности, эритроцитов, их содержимое оказывается в сыворотке. Поэтому пробу крови сразу после получения необходимо для отделения клеток от плазмы центрифугировать.

Если для анализа требуется кровь или плазма, то в пробу добавляют антикоагулянт. Чаще всего для этого используется соль гепарина, К-оксалат, Na-цитрат или К-ЭДТА. Применение каждого из этих веществ приводит к исключению из анализа каких-либо показателей. Если до анализа пробу крови приходится замораживать, то добавлять антикоагулянт не имеет смысла, поскольку клетки все равно разрушатся. Поэтому в этом случае можно получить из пробы крови безбелковый фильтрат (ББФ), например, с помощью трихлоуксусной (ТХУ) или вольфрамовой кислот (Кристиан, 2009).

Немалую информацию о состоянии организма можно получить, анализируя плазму. Она представляет собой водный раствор электролитов, солей, следовых элементов, метаболитов, витаминов, сигнальных веществ, антител, белков (в основном — на 52-58% — альбумина), гликопротеинов (4 фракции глобулинов), фибриногена. Белки плазмы крови составляют около 4% всех белков организма, достигая в ней концентрации 60-80 г/л. По солевому составу плазма сходна с морской водой. Сыворотка отличается от плазмы отсутствием фибриногена и белков, отделяющихся при коагуляции. Состав микроэлементов в обеих жидкостях и в ББФ почти идентичен.

Выражение результатов анализа, предельно допустимая концентрация (ПДК)

Содержание тяжелых металлов (ТМ) в цельной крови во многих случаях позволяет выявлять заболевания, сопровождающиеся нарушениями МЛГ. Элементограммы цельной крови при разных заболеваниях различаются (рис. 3).

Элементограммы крови

Рис. 3. Элементограммы крови ("А" - после имплантации сердечного клапана, "В" - при гнездной алопеции, "С“ - при болезни Вильсона-Коновалова).

Отметим, что в ряде случаев, например, при определении ионизированного Са2+, целесообразно использовать не только цельную кровь, но и безбелковый фильтрат, так как содержащийся в крови альбумин может исказить результат. Как показали литературные данные, интерпретация полученных результатов и элементограмм не стандартизована, и поэтому может приводить к разным выводам. Обычно результат определения того или иного элемента сравнивают со значениями ПДК (предельно допустимой концентрации), которые приведены в ряде руководств (Данилова, 2000; Литвинов, 2000; Погосбекова, 2001).

Однако целесообразность выделения ПДК по отношению к определенному человеку вызывает сомнения, поскольку людям свойственны естественные различия по полу, возрасту, генетическим особенностям, месту проживания, пищевым привычкам. Из явления избирательной токсичности (Альберт, 1989) следует, что ПДК, установленная у животных, для человека будет другой. Определять ПДК по результатам исследования трупного материала также некорректно, поскольку она не отражает механизмы гомеостаза МЛГ, индивидуальные особенности, деятельность иммунной системы, детоксицирующую функцию живого организма.

Кроме того, содержание элементов в тканях, в том числе в цельной крови, отличается у населения различных регионов, причем предельные значения для одного региона могут для других регионов оказаться нормой. Недостаток или избыток эссенциальных или избыток токсических элементов диагностически значимы, только если их содержание выходит за пределы нормы. Из-за существования биогеохимических провинций (Вернадский, 1978) состав и количественное содержание элементов в норме и при патологических состояниях у населения различных регионов неодинаковы, и поэтому сравнивать их с едиными нормативными ПДК некорректно.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 74142 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19363 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17166 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы