CC BY
54
2016, том 18 [8]
—--—
УДК 615.26:615.451.3:616-003.214
НАНОКЛАСТЕРИЗАЦИЯ БЕЛКА
ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
12 1 А.В. Неупокоева , А.Н. Малое , Е.В. Шевченко
1ГБОУ ВПО Иркутский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации, 2ФГКВОУ ВПО Военный учебно-научный центр ВВС
Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина Министерства обороны Российской Федерации
Аннотация. Предложен способ качественного и количественного мониторинга структурных изменений белковых растворов с помощью кристаллограмм. Экспериментально показано, что лазерное излучение вызывает уменьшение характерного размера белкового кластера в растворе, при этом изменения структуры зависят от длины волны и суммарной энергии излучения. Предложенный метод может быть использован для управления структурой жидкостей биологического происхождения и для определения энергетических доз при облучении, например, лекарственных растворов.
Ключевые слова: кристаллограмма, пленка, лазер, мониторинг структуры, лазерная биостимуляция.
Введение. На сегодняшний день феномен лазерной биостимуляции, то есть стимулирующего действия низкоинтенсивного лазерного излучения, широко используют в медицинской практике различных стран, хотя механизм этого явления еще полностью не изучен [1; 2]. Поэтому изучение механизмов воздействия лазерного излучения на биологические объекты является актуальной проблемой. При воздействии лазерного излучения на кровь происходит генерализация реакции на уровне всего организма. Следовательно, существует некое передаточное звено, которое отвечает за распространение воздействия на уровень всего организма. Мы предполагаем, что лазерное излучение изменяет реакционную способность белков, которые и являются искомым передаточным звеном. Для
проверки этой гипотезы мы воспользовались одним из самых простых и при этом наглядных методов мониторинга структурных изменений в жидких средах — метод получения кристаллограмм, размер сегмента которых непосредственно связан с характерным размером неоднородностей в биожидкостях [1—5]. Явление дегидратационной самоорганизации положено в основу одного из методов медицинской диагностики — метода клиновидной дегидратации [6].
Целью настоящей работы является выявление количественных изменений размеров белкового кластера в растворе под действием лазерного излучения различных длин волн. Предложенный метод может быть использован для управления структурой жидкостей биологического происхождения и для опреде-
—--—
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
ления энергетических доз при облучении, например, лекарственных растворов.
Методика исследования. В качестве объекта исследования для получения кристал-лограмм был выбран раствор «гриппферон», основным компонентом которого является интерферон альфа-2Ь — фактор белковой природы, который обеспечивает противовирусный иммунитет. Раствор гриппферона в кювете подвергался воздействию лазерного излучения с длиной волны 655 нм или 530 нм, интенсивность в обоих случаях около 150 мВт/см2.
Время облучения составляло 1, 2, 5, 10 минут. Затем облученные образцы и необ-лученный раствор поливались на одинаковые стеклянные подложки и выдерживались при комнатной температуре для получения крис-таллограмм. Далее кристаллограммы фотографировались с одного и того же расстояния непосредственно или с помощью оптического микроскопа с увеличением в 160 раз. Средний размер сегмента кристаллограммы оценивался путем подсчета количества сегментов, расположенных вдоль диаметра поля зрения микроскопа.
Экспериментальная часть. Оценить лазерное воздействие на структуру раствора можно было визуально (рис. 1). Кристалло-
грамма необлученного образца имеет больший размер сегментов и более плотную структуру. Изображения, полученные с помощью микроскопа, позволяют дать численную оценку изменения структуры (рис. 2), в частности видно, что существенные изменения структуры белкового раствора начинаются уже после 1 минуты воздействия.
Численные оценки показывают (рис. 3), что при воздействии лазерным излучением с длиной волны 530 нм уже через 2 минуты после начала воздействия наблюдалось уменьшение характерного размера структуры на 20%, а после 5 минут воздействия — вдвое. При воздействии лазерным излучением с длиной волны 650 нм при малых временах воздействия наблюдалось появление значительного числа пузырьков воздуха, а характерный размер структуры практически не изменялся. Затем, при увеличении времени воздействия до 10 минут, характерный размер кристаллического сегмента уменьшался, а структура становилась более однородной по сравнению с контрольным образцом. Таким образом, при сравнении численных показателей, структурные изменения в растворе более выражены при воздействии излучением с длиной волны 530 нм, что, вероятнее всего, связано с большей энергией кванта
0 минут 10 минут 20 минут
Рис. 1. Характерный вид кристаллограмм при различных временах воздействия лазерным излучением с X = 650 нм
— 8 —
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
----—-
Необлученный образец 1 минута (9 Дж/см ) 2 минуты (18 Дж/см2)
5 минут (45 Дж/см2) 10 минут (90 Дж/см2)
Рис. 2. Характерный вид кристаллограмм под микроскопом при различных временах воздействия лазерным излучением с X = 530 нм
Характерный размер
структуры, мкм я= 650 нм >-= 530 нм
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Плотность энергии, Дж/см2
Рис. 3. Зависимость характерного размера кристаллограммы (мкм) от суммарной плотности энергии воздействия (Дж/см2)
~ 9 ~
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
Анализ динамики характерного размера кристаллограммы поаказывает также, что пороговой величиной энергии, инициирующей структурные изменения можно считать энергию около 1 Дж (или плотность энергии около 18 Дж/см2) для обеих длин волн.
Выводы. Таким образом, экспериментально показано, что под воздействием лазерного излучения изменяется структура белкового раствора, что отражается на характерном размере сегментов кристаллограммы. Лазерное излучение зеленого диапазона дает более значимое изменение структуры, по сравнению с лазерным излучением красной области спектра.
ЛИТЕРАТУРА
1. Malov A.N., Seteikin A.Yu., Neupokoe-va A.V., Musatova E.S., Golub I.E., Sorokina L.V., Fetschenko V.S., Vaichas A.A. The laser radiation action on the biological objects // Optik 124, 6034— 6041 (2013).
2. Малов А.Н., Шевченко Е.В., Вайчас А.А. Взаимодействие лазерного излучения с макромо-лекулярными пленками // Известия вузов. Физика, Т. 48, № 6. С. 69—70.
3. Malov A.N., Musatova E.S., Setejkin A.U., Zinoviev S.V. Laser nanoclasterization processes simulation // In «Modern Problems of Nanopharma-cology», The 8th Russia and China Pharmaceutical Forum, 14-17 September 2011, Blagoveshchensk. P. 66—67.
4. Шабалин В.Н., Шатохина С.Н. Морфологии биологических жидкостей человека. М.: Хри-зостом, 2001.
5. Ильясова Н.Ю., Куприянов А.В., Храмов А.Г. Информационные технологии анализа изображений в задачах медицинской диагностики / Под ред. акад. А.С. Бугаева. М.: Радио и связь, 2012.
6. Тарасевич Ю.Ю. Механизмы и модели дегидратационной самоорганизации биологических жидкостей // Успехи физических наук. 2004. Т. 174, № 7. С. 779—790. Tarasevich Yu.Yu. The models and mechanisms of the dehydration self-organization of biological fluids // Physics-Us-pekhi. 2004. 47, N 7. P. 717—728.
PROTEIN NANOCLUSTERING BY LASER RADIATION
A.V. Neupokoeva1, A.N. Malov2, E. V. Shevchenko1
1Irkutsk State Medical University, Irkutsk, Russia
2Military Educational and Scientific Center "Air Force Academy named after prof. N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin", Voronezh, Russia
Annotation. A method for qualitative and quantitative monitoring of protein solutions structural change by means of crystallograms. It was experimentally shown that the laser irradiation causes a reduction in the cluster characteristic size of protein in the solution and the changes in the structure depend on the total radiation energy and on the wavelength. The proposed method can be used to control the structure and biological fluids to determine the energy irradiation at doses of, for example, pharmaceutical solutions.
Key words: crystallogram, film, laser, image processing, structure monitoring, laser biostimulation.
REFERENCES
1. Malov A.N., Seteikin A.Y., Neupokoeva A.V., Musatova E.S., Golub I.E., Sorokina L.V., Fetschenko V.S., Vaichas A.A. The laser radiation action on the biological objects. Optik 124, 6034—6041 (2013).
2. Malov A.N., Shevchenko E.V., Vaychas A.A. Interaction of laser radiation with macromolecular films. Russian Physics Journal, vol. 48, no. 6, pp. 69—70.
3. Malov A.N., Musatova E.S., Setejkin A.U., Zinoviev S.V. Laser nanoclasterization processes si-
Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ ЭЛ № ФС77-50518 Журнал представлен в НАУЧНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ БИБЛИОТЕКЕ (НЭБ) — головном исполнителе проекта по созданию Российского индекса научного цитирования (РИНЦ)
mulation. Modern Problems of Nanopharmacology, The 8th Russia and China Pharmaceutical Forum, 14-17 September 2011, Blagoveshchensk, 2011. P. 66—67.
4. Shabalin V.N., Shatokhina S.N. Morphology of human biological fluids, Moscow, Chryso-stomos, 2001. (in Russian).
5. Ilyasova N.Y., Kupriyanov A.V., Khra-mov A.G. Information technologies of image analysis in the problems of medical diagnostics, Moscow, Radio i svyaz, 2012. (in Russian).
6. Tarasevich Y.Y. The models and mechanisms of the dehydration self-organization of biological fluids. Physics-Uspekhi 47(7), 717—728 (2004).
