Η FT-IR φασματοσκοπία ως διαγνωστικό

μέσον στην Ιατρική

Καρδιαγγειακό σύστημα, καρκίνος, οστά, κ.ά.

Ιωάννα Αναστασοπούλου

Καθηγήτρια, Υφηγήτρια ΕΜΠ,

IIAR

Να αντιληφθούμε την

βιοχημεία & όλα τα

στάδια της βιολογικής

ιεραρχείας

Στάδιο ανάπτυξης

&

βιολογικό δυναμικό

Ιστολογική

ανάλυση και

συμπεριφορά

Χημεία, φυσική, μαθηματικά

Συμπεριφορά της

ασθένειας,

βιολογικοί

δείκτες

Ιατρική

Ποιες είναι οι τεχνικές;

Φασματοσκοπικές μέθοδοι: το κλειδί για την λήψη

πληροφοριών σε διάφορα φυσικοχημικά στάδια της

ασθένειας

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΤΗΣ FT-IR

ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ

Η υπέρυθρη φασματοσκοπία ανακαλύφθηκε αρχικά από

τον Sir William Herschel το 1800 όταν μελετούσε τον

συσχετισμό της ενέργειας των ορατών ακτινοβολιών

με βάση το μήκος κύματος

Ο Herschel μετακινώντας ένα θερμόμετρο κατά μήκος

του ορατού φάσματος από το μπλε προς το κόκκινο

παρατήρησε την αύξηση της θερμοκρασίας.

Θεωρώντας ότι κάτω του ορατού η θερμοκρασία θα

μειώνονταν περισσότερο διαπίστωσε σημαντική

αύξησή της.

Ονόμασε τις ακτίνες αυτές «μη-χρωματικές» ή

«αόρατες», οι οποίες αργότερα ονομάσθηκαν

«υπέρυθρες ακτινοβολίες ή «υπέρθυρο φως».

ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΥΠΕΡΥΘΡΗΣ

ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ

NIR 13,300-4000 cm-1

0.7 μm-2,5 μm

MIR 4000-400 cm-1

2,5 μm-25 μm

FIR 400-100 cm-1 25 μm-300 μm

NIR: overtones, harmonic or combination vibrations

MIRS: fundamental and the rotation-vibration structure

of small molecules

FIR for the low heavy atom (metal-ligand or the lattice

vibrations)

Infrared

radiation

Radiation

Absorbance

φασματοσκοπίες δονήσεων

Raman και IR

IR

Raman

ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ της IR

Ευρύ φάσμα εφαρμογών (από

μικρές διαλυτές πρωτεΐνες μέχρι

μεγάλες πρωτεΐνες μεμβρανών).

Διακριτικότητα μέχρι 1 μm.

Πολύ μικρή ποσότητα δείγματος

(τυπικά από 10-100 μg).

Μη επεξεργασία δείγματος

Μικρό κόστος

Κύτταρα

Ιστοί

Καρδιά

στήθος

εγκέφαλος

συκώτι

στόμα

έντερο

δέρμα

θυροειδή

προστάτη

……….

ex vivo

ιστολογία

Υπερπλασία

αγγειογένεση

FT-IR φασματοσκοπία

Διάγνωση

in vivo

Κλινικά χαρακτηριστικά

Ιστοπαθολογική ανάλυση

μοριακοί δείκτες

Φασματοσκοπία δονήσεων

Οιοδήποτε συστατικό

επηρεάζει το φάσμα

Το φάσμα του κυττάρου

είναι άθροισμα των

φασμάτων των επί

μέρους συστατικών

Πληροφορίες σε μοριακό επίπεδο

Πολυπαραγοντική ανάλυση

Βιοχημικές και μορφολογικές

μεταβολές

Συμφωνία με PCR ανάλυση

ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΑ

837_5 : Po int 49 @ (1191 , 665) A perture X: 20 Y : 20 Ø: 0

0 .5

1 .0

Ab

s

1000 2000 3000

cm -1

0

20

40

60

80

100

120

140

µm

0 50 100 150

µm

ATR-FTIR spectrometer

Σύνχροτρον-micro-FT-IR

ΚΑΡΩΤΙΔΕΣ

FT-IR SPECTRA OF AORTIC VALVE

a: Organic phase: Increase of band intensities 3000-2850 cm-1,

shift 1700-1500 cm-1 due to amyloidosis. 1200 cm-1

glucosylation. Depends also on sugar serum. b; intermediate

phase: Lower concentration of organic components. c:

Inorganic phase Rich in Hydroxyapatite and

phosphate salts

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΦΑΣΜΑΤΑ

ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΚΑΡΚΙΝΩΝ ΤΟΥ ΜΑΣΤΟΥ

Τα φάσματα διαφέρουν μεταξύ τους σε διάφορα σημεία

του ιστού, αλλά είναι ίδια σε θέσεις με την ίδια πάθηση

Micro-FT-IR διηθητού πορογενούς

καρκίνου grade II και grade III

grade II grade III

FT-IR ΚΟΛΛΑΓΟΝΟΥ

irradiated

Non-irradiated

DNA spectral region

NORMAL-BCC-MC

micro -FT-IR mapping of paediatric osteon

837_5 : Po int 88 @ (1191 , 713) A perture X: 20 Y : 20 Ø: 0

0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0

1 .2

1 .4

Ab

s

1000 2000 3000

cm -1

-0

50

100

150

µm

0 100

µm

Α

Β

Γ

Γ

Α

Β

Οστεώνας οστεοαρθριτικού γηρασμένου οστού (δείγμα 102_7)

102_7 : Po int 71 @ (-1659, 3466 ) Apertu re X : 20 Y: 20 Ø: 0

0 .0

0 .5

1 .0

Ab

s

1000 2000 3000

cm -1

0

20

40

60

80

100

120

µm

0 50 100 150

µm

FT-IR ΦΑΣΜΑΤΑ ΟΣΤΩΝ ΜΕ

ΜΕΤΑΣΤΑΤΙΚΟ ΚΑΡΚΙΝΟ

mFT-IR ΧΑΡΤΟΓΡAΦΗΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΗΜEΝΟΥ

ΔΕIΓΜΑΤΟΣ ΑΣΘΕΝΟYΣ

PHOSPHATES/PROTEINS

0 20 40 60 80 100

0

20

40

60

80

100

Phosphate vs Proteins

00,028130,056250,084380,11250,14060,16880,19690,22500,25310,28130,30940,33750,36560,39380,42190,45000,47810,50630,53440,56250,59060,61870,64690,67500,70310,73120,75940,78750,81560,84370,87190,90000,92810,95620,98441,0121,0411,0691,0971,1251,1531,1811,2091,2371,2661,2941,3221,3501,3781,4061,4341,4621,4911,5191,5471,5751,6031,6311,6591,6871,7161,7441,7721,800

Distance ( microns)

Dis

tan

ce

( m

icro

ns)

0

20

40

60

80

100 0

20

40

60

80

100

FT-IR ΟΣΤΕΟΑΡΘΡΙΤΙΚΟΎ ΧΌΝΔΡΟΥ &

ΑΡΘΡΙΚΟΥ 2 Gy

SEM ΑΠΕΙΚΌΝΙΣΗ ΟΣΤΕΟΑΡΘΡΙΤΙΚΟΎ ΧΌΝΔΡΟΥ, ΑΡΙΣΤΕΡΆ) ΚΑΙ

ΑΡΘΡΙΚΟΎ ΧΌΝΔΡΟΥ ΜΕΤΆ ΑΚΤΙΝΟΒΌΛΗΣΗ ΜΕ 2 GY

COMPARISON BETWEEN HEALTHY

AND CANCEROUS BONES

Lip

id p

eroxid

atio

n

Ald

ehy

des

, L

DL

i

vOH

vNH

Am

ide

I

Am

ide

II

S-S

Red: Healthy bone, Blue: Metastatic cancerous bone from breast

PO2-

DNA

ΜΕΤΆΣΤΑΣΗ ΚΑΡΚΊΝΟΥ ΣΤΑ ΟΣΤΆ

We suggest that accumulation of misfolding proteins affect the bio-availability of essential

proteins or to form fibrillar aggregates

Amide I

Amide II

amy

loid

s

amy

loid

s

methylation

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΦΑΣΜΑΤΩΝ ΟΣΤΩΝ ΜΕ

ΡΕΥΜΑΤΟΕΙΔΗ ΑΡΘΡΙΤΙΔΑ ΚΑΙ ΑΡΘΡΙΤΙΔΑ

FT-IR φάσματα οστών: a: Υγιές, b: με οστοεαρθρίτιδα και c με ρευματοειδή αρθρίτιδα

στην περιοχή 1800-700 cm-1.

FT-IR φάσματa

FT-IR ΟΣΤΕΪΝΗΣ, ΟΔΟΝΤΙΝΗΣ &

ΑΔΑΜΑΝΤΙΝΗΣ

Η2Ο

FT-IR φάσμα αδενοκαρκινώματος του εντέρου 4000-700 cm-1. N1 και N2

φυσιολογικές περιοχές, C συνδετικός ιστός K περιοχή με νεοπλασίες.

4000,0 3000 2000 1500 1000 700,0

cm-1

A

N1

N2

C

K

membrane fluidity, protein component: lower 2853/2963, higher 1399/1463

A I broad lower A I/AII

collagen decrease 1399, 1280,1204

(highly invasive carcinoma)

RNA 1121, 994 Increase DNA 1080, 970

K vs N

FT-IR ΦAΣΜΑΤΑ ΟΡΟY

Αναστροφή

[Am I]:[AmII]

ΜΥΪΚΕΣ ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ

Alzheimer, Parkinson, Amyloidosis, Schizophrenia

BROOKHAVEN LAB

Ταχύτητα-επαναληψιμότητα

δεν απαιτείται αφαλάτωση των

δειγμάτων, ούτε χρωστική

FT-IR

ιστολογική

Να ενισχύσουμε την βιοκλινική ανάλυση

Να διαγνώσουμε γρήγορα την

συμπεριφορά της ασθένειας και την

πορεία της θεραπείας

Στόχοι της έρευνας

Η έγκριση των κλινικών

πρωτοκόλλων έγινε από τα

Ερευνητικά κέντρα

Brookhaven, NY

Lure, Paris, France

Daresbury, England

Ancona, Italy

ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος

ΛΑΒΑΜΕ

10. Βραβεία