CC BY
44
_____________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Том 154, кн. 1 Физико-математические пауки
2012
УДК 538.955^577.322.23
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВРЕМЕН СПИН-РЕШЕТОЧНОЙ РЕЛАКСАЦИИ ПРОТОНОВ ПЛАЗМЫ С НЕКОТОРЫМИ ГЕМАТОЛОГИЧЕСКИМИ И БИОХИМИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ КРОВИ
Т.Н. Николаева, Ю.А. Фатрахмапова, А.Ш. Гиззатуллипа,
М.А. Рудакова, С.И. Никитин,, В.Д. Скирда
Аннотация
В работе па примере исследования группы здоровых допоров проанализированы корреляции между значениями времени сиип-решеточпой релаксации протонов плазмы крови и основных гематологических и биохимических параметров крови. Установлено наличие корреляции значений времени спин-решеточной релаксации протонов плазмы Т с уровнем билирубина и железа плазмы крови. Основанный па этом факте способ нормировки экспериментальных данных позволяет уменьшить разброс значений времени Т релаксации больше, чем в 1.5 раза.
Ключевые слова: ЯМР. спип-решеточпая релаксация, гематологические и биохимические анализы крови, плазма крови, онкология.
Введение
Известно, что развитие онкологического процесса в организме приводит к увеличению времен спин-решеточной релаксации протонов плазмы (сыворотки) крови [1 4]. Это явление названо «системным эффектом», и было предложено к использованию в диагностике онкологических заболеваний [5. 6]. Однако по сравнению с величиной «системного эффекта» измеряемые значения времен спин-решеточной релаксации характеризуются слишком большим разбросом, чтобы использовать его в качестве базы для диагностики онкозаболеваний.
Существует по меньшей мере три фактора, приводящие к дисперсии значений времени спин-решеточной релаксации плазмы крови. Первый из них связан с ошибками. возникающими непосредственно в процессе измерения как на этапе оцифровки сигнала ЯМР. так и вследствие ошибок в настройке аппаратуры. Второй может быть обусловлен непостоянством условий на этапах приготовления образца. Наконец, третий фактор, очевидно, связан с индивидуальной изменчивостью характеристик самой крови чрезвычайно сложной молекулярной системы, состав и свойства которой зависят, например, от наличия других, неонкологических заболеваний в хронической и острой формах. В то же время разумно допустить, что упомянутая изменчивость характеристик крови, в принципе, может быть проконтролирована независимо, путем проведения соответствующих анализов крови по стандартным методикам. В случае если между значениями измеряемых величин Т и какого-либо из параметров крови будет установлено наличие корреляции, то этот параметр можно будет использовать для уменьшения дисперсии измеряемых значений Т путем соответствующей нормировки.
В настоящей работе анализируются результаты исследования основных гематологических и биохимических характеристик крови с целыо нахождения корреляции между ними и временем продольной релаксации Т. плазмы крови.
1. Объекты и методы исследования
Были исследованы образцы крови и плазмы пяти здоровых доноров. При этом для каждого из доноров забор крови осуществлялся в течение трех месяцев несколько раз (от 4 до 9). Забор образцов крови осуществляли в лаборатории «СИТИ-Лаб» из локтевой вены человека непосредственно в две стандартные вакуумные пробирки с антикоагулянтом (этилендиаминтетрауксусная кислота ЭДТА). Одна из пробирок направлялась на стандартные гематологические и биохимические анализы, а из другой путем центрифугирования в течение 15 мин с частотой 1500 д, ще д = 9.81 м/с2 - ускорение свободного падения, отделяли плазму для измерения времени спин-решеточной релаксации Ті.
В качестве исследуемых характеристик крови были выбраны: СОЭ, эритроциты, тромбоциты, лейкоциты, гемоглобин, среднее отношение гемоглобина в эритроците, гематокрит, средний объем эритроцита, ширина распределения эритроцитов, ширина распределения эритроцитов, тромбокрит, отношение тромбоцитов, ширина распределения тромбоцитов, средний объем тромбоцитов, альбумин, общий белок, глюкоза сыворотки, триглицериды, холестерин, липопротеины высокой плотности, липопротеины низкой плотности, билирубин общий, билирубин прямой, калий, железо, коэффициент атерогенности, бета-липопротеиды, натрий, хлор. Всего 29 параметров.
Эксперименты по измерению времен ядерной магнитной релаксации проводились на ЯМР-анализаторе «Хроматэк-Протон 20М», произведенном ЗАО СКВ «Хроматэк» (г. Йошкар-Ола, Россия) с резонансной частотой для протонов 20 МГц.
Для измерения времен Ті спин-решеточной релаксации использовалась много-импульсиая последовательность, позволяющая получить кривую восстановления продольной намагниченности за одно прохождение, что давало возможность за ограниченное время исследования (« 15 мин) провести усреднение по нескольким измерениям (« 20), тем самым существенно уменьшить ошибку измерения. Диапазон задержек (ті) между 90°-импульсами составлял 2^350 мс. Полученные кривые восстановления продольной намагниченности удовлетворительно описывались простой моноэкспоненциалыгой функцией, что обеспечивало возможность достаточно точного (ошибка менее 5%) определения значений времени спин-решеточной релаксации. Температура измерения составила 310 + 0.1 К.
2. Результаты и их обсуждения
Ті
лений («диаграмм рассеяния»), на которых по оси абсцисс для каждого из заборов
Ті
протонов плазмы, а по оси ординат одна из характеристик параллельно проведенного гематологического или биохимического анализа крови. Некоторые наиболее характерные экспериментальные распределения представлены на рис. 1 11. На всех графиках значения параметров, относящихся к одному донору, обозначены отдельным символом (В, Б, Б или Н) и объединены соединительными линиями.
Анализ представленных данных позволяет утверждать, что большинство рассматриваемых гематологических и биохимических характеристик крови существенно различается для разных доноров, но не имеет корреляции с измеренными Ті
Ті
этой характеристики часто используется на практике в качестве одного из признаков развития онкозаболеваний [9, 10].
В то же время полученные диаграммы рассеяния таких характеристик, как содержание железа (рис. 1), содержание общего и прямого билирубина (рис. 9, 10)
Л
Ц 25-О £
И 20
О 15-еп 0)
Ч
1,70 1,72 1,74 1,76 1,78 1,80 1,82 1,84 1,86 1,88 1,90 1,92 1,94 1,96 1,98
Т„ с
V
Рис. 1. Распределение количества железа (мкмоль/л) и значений времени Т (с) плазмы крови
т.-с
Рис. 3. Распределите количества лейкоцитов (109 клеток/л) и значений времени Т (с) плазмы крови
т.-с
Рис. 2. Распределите значений содержания гемоглобина (г/л) в эритроците и значений времени Т (с) плазмы крови
т.>с
Рис. 4. Распределение значений СОЭ (по Вестергрепу. мм/ч) и зпачепий времени Т (с) плазмы крови
Рис. 5. Распределите концентрации альбумина (г/л) и значений времени Т (с) плазмы крови
Рис. 6. Распределение зпачепий бета-липопротеидов (г/л) и зпачепий времени Т (с) плазмы крови
в плазме крови, свидетельствуют о наличии корреляции с измеряемыми временами Т. протонов плазмы крови.
5,85,65,45,25,04,84.64,44,24,0-1,72 1,74 1,76 1,78 1,80 1,82 1,8
5 1,88 1,90 1,92 1,94 1,9
т,-с
I 1,98 т1>с
Рис. 7. Распределение значений липопро-теина (а) (мг/дл) и значений времени Т (с) плазмы крови
т,>с
Рис. 8. Распределение значений глюкозы сыворотки (моль/л) и значений времени Т (с) плазмы крови
т,’с
Рис. 9. Распределение значений общего Рис. 10. Распределение значений прямого билирубина (ммоль/л) и значений време- билирубина (ммоль/л) и значений времени Т (с) плазмы крови ни Т (с) плазмы крови
Т,,с
Рис. 11. Распределение значений гематокритического отношения (объемная доля эритроцитов в цельной крови, %) и значений времени Т (с) плазмы крови
Известно, что уровни содержаний железа и билирубина физиологически связаны друг с другом [11], поэтому имеет смысл ввести некий обобщенный параметр р, который отражал бы концентрацию обоих этих веществ в образце, что
Трс
Рис. 12. Распределение значений параметра р, определяемого содержанием железа и би-
Ti
р Ti Ti
обозпачепы отдельным символом (В. С, D. Е и т. д.) и объединены соединительными лилиями
позволит в некоторой степени усреднить ошибки этих измерений. Но для этого необходимо, чтобы коррелирующие со значениями T параметры были соразмерны. С учетом того, что диапазон изменения значений билирубина примерно в 100 раз больше диапазона изменения показателей железа, искомый параметр p можно оценить следующим образом:
p = Ciron ' ЮО + Cbilirub.
Диаграмма рассеяния для найденного таким образом параметра p и времени релаксации плазмы крови T представлена па рис. 12. Вычисленный коэффициент корреляции Пирсона r = -0.87, что говорит о наличии достаточно сильной связи между параметрами p и Ti. В результате зависимость параметра p от значений времени релаксации Ti плазмы крови может быть описана линейной функцией
p = aTi + b,
где a - наклон линейной функции, b - константа, определяемая усредненными
p Ti
док можно получить выражение, позволяющее по измеренным данным p* и Тц вычислить нормированные значения Т^О™
ттаогт _ {р) — (Pi — аТи)
1и — •
a
Итак, пересчитав вышеописанным способом все экспериментально полученные значения времени еппн-решеточной релаксации плазмы крови Ti, получим новую совокупность данных Tn°rm, нормированных на параметры крови, коррелирующие со значениями Ti (рис. 13).
Эффективность произведенной нормировки может быть оценена по умеиыпе-
T1
Фшах 'T'min
к — 1______________ 1
norm гп тах ____ Гр min *
T i norm T i norm
TrpiIlUrill 1’Т. ’С
Рис. 13. В левой части рисунка представлены экспериментально полученные значения
Ti
ветствующие значения Tnorm протонов плазмы крови, нормированные на параметр р. Разброс исходных и нормированных значений представлен прямоугольниками
Ti
нормировки Timin = 1.72 с и Timax = 1.975 с соответственно, то после нормировки мы имеем T-mOU = 1.76 с и TinnOXm = 191^ с и кпОгш = 1.65.
Таким образом, результатом нормировки значения времени Ti плазмы крови
p
времен Ti релаксации примерно в 1.5 раза.
При разработке ранней диагностики онкологических заболеваний, построенной на существовании «системного эффекта», важное значение имеют способы уменьшения дисперсии времен Ti. В настоящей работе продемонстрирован один из эффективных способов уменьшения разброса значений Ti плазмы крови, обусловленного вариациями характеристик крови по содержанию железа и билирубина.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования науки РФ (тема «Бюджет12-15», включенная в госзаказ КФУ 2012 г., шифр 2.2792.2011).
Summary
T.N. Nikolaeva, Yu.A. Fatrakhmanova, A.Sh. Gizzatullina, M.A. Rudakova, S.I. Nikitin, V.D. Skirda. A Comparative Analysis of the Blood Plasma Protons Spin-Lattice Relaxation Time Correlation with Some of the Basic Hematological and Biochemical Blood Parameters.
The aim of the experiment was to find out correlation between spin-lat.t.ice relaxation time of blood plasma protons and basic hematological and biochemical blood parameters using
Ti
correlates with the level of blood plasma bilirubin and iron. This makes it possible to reduce Ti
Key words: KMR. spin-lat.t.ice relaxation, hematological and biochemical blood tests, blood plasma, oncology.
Ti
61
Литература
1. Frey Н.Е., Knispel R.R., Kruuv J., Sharp A.R., Thompson R.T., Pintar M.M. Proton spin-lattice relaxation studies of nonmalignant. tissues of tumorous mice // J. Natl. Cancer Inst. 1972. V. 49, No 3. P. 903 906.
2. Floyd R.A., Leigh J.S. Jr., Chance B., Miko M. Time course of tissue water proton spin-lattice relaxation in mice developing ascites tumors // Cancer Res. 1974. V. 34, No 1.
P. 89 91.
3. U.S. Patent No. 5213101. Process for the detection of cancer using nuclear magnetic resonance / E.T. Fossel. US005213101A: Pub. Date Apr. 27, 1990: Iss. Date May 25, 1993.
4. Байкеев Р.Ф., Хайруллииа В.P., Зиятдииоо К.М. и др. Изменение времен ЯМР-1Н-
релаксации сыворотки крови как метод лабораторной диагностики // Лабораторное дело. 1990. 12. С. 17 19.
5. Beall Р.Т., Narayana P.A., Amtey S.R., Spiga L., Intra E., Ridella S., Mela G.S. The systemic effect of cancers on human sera proton NMR relaxation times // Magn. Reson. Imaging. 1984. V. 2, No 2. P. 83 87.
6. Ревокатов О.П., Гаигардт М.Г., Мурашко В.В., Журавлев А.К. ЯМР-релаксация в сыворотке крови человека и диагностика злокачественных новообразований // Биофизика. 1982. Т. 27. С. 336 338.
7. Хаусерр К.Х., Калъбитцер Х.Р. ЯМР в медицине и биологии: структура молекул,
томография, спектроскопия in-vivo. Киев: Наукова думка, 1993. 258 с.
8. Магнитный резонанс в медицине: Основной учебник Европейского Форума по маг-
нитному резонансу / Под ред. П.А. Рипка: пер. с англ. Oxford: Backwell Sci. Pub., 1995. 247 с.
9. Гаигардт М.Г., Карякина Н.Ф., Павлов А.С., Папиш Е.А. Сравнение уровня эндо-
генных парамагнетиков в сыворотке крови в норме и при патологии методом протонной магнитной релаксации // Вюл. эксперим. биологии и медицины. 1995. Л'! 11.
С. 557 560.
10. Гаигардт М.Г. Протонная ЯМР-релаксация певодпой компоненты сыворотки крови
человека // Вюл. эксперим. биологии и медицины. 1995. Л'! 10. С. 445 448.
11. Кишкуи А.А. Руководство по лабораторным методам диагностики. М.: ГОЭТАР-
Медиа, 2007. 798 с.
12. it. ГмурмапВ.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высш. шк.,
2004. 479 с.
Поступила в редакцию 24.11.11
Николаева Татьяна Николаевна аспирант кафедры физики молекулярных систем Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: tattina Qlist. ru
Фатрахманова Юлия Анатольевна студент кафедры физики молекулярных систем Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: YuliaFatrakhmanova Qyandex. ru
Гиззатуллина Асия Шамилевна магистрант по направлению «Физика магнитных явлений» Казанского (Приволжского) федерального университета.
Рудакова Майя Анатольевна кандидат физико-математических паук, ассистент кафедры физики молекулярных систем Казанского (Приволжского) федерального университета.
Никитин Сергей Иванович кандидат физико-математических паук, доцепт кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Казанского (Приволжского) федерального университета.
Скирда Владимир Дмитриевич доктор физико-математических паук, профессор. заведующий кафедрой физики молекулярных систем Казанского (Приволжского) федерального университета.
Е-таі1: VskirdaQksu.ru
