Неинвазивный способ лазерной нанодиагностики онкологических заболеваний

Неинвазивный способ лазерной нанодиагностики онкологических заболеваний

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области нанотехнологий - исследований наноструктур в биологических жидкостях с помощью оптических средств и может быть использовано в медицине для диагностики онкологических и иных заболеваний, особенно на ранних стадиях, а также для оценки эффективности проводимого лечения. Изобретение может быть использовано для решения задачи массового профилактического скрининга населения.

В клинической практике широко используется метод диагностики заболеваний по анализу скорости осаждения эритроцитов (СОЭ) в плазме крови, предложенный Т.П. Панченковым еще в 1924 году. К настоящему времени наработана богатейшая статистика использования данных СОЭ при диагностике различных, в том числе, онкоурологических заболеваний. Высокая чувствительность метода СОЭ основана на изменении пространственной структуры белков в плазме крови при различных заболеваниях. При этом изменяется эффективная гидродинамическая вязкость плазмы крови, которая визуализируется смещением границы столбика осаждающихся эритроцитов в стеклянном капилляре. Оценка величины СОЭ производится замером смещения границы эритроцитарной массы за заданный интервал времени, составляющий, как правило, один час. Существующий метод измерения СОЭ является косвенным: информация о заболевании содержится в гидродинамическом размере белковых структур плазмы крови, а измеряется высота столба осажденной эритроцитарной массы.

Сущность предлагаемого неинвазивного способа лазерной нанодиагностики онкологических заболеваний заключается в использовании прямой аналогии между структурными комплексами в плазме крови и в моче человека. Состояние организма оценивается на основе нанодиагностики путем прямого измерения гидродинамических размеров белковых наноструктур в моче по результатам ее лазерной корреляционной спектроскопии. Одним из важнейших преимуществ заявляемого способа является возможность использования всех накопленных за длительный период медицинских знаний об изменениях СОЭ при различных, в том числе, уроонкологических заболеваниях.

Метод лазерной корреляционной спектроскопии (ЛКС) позволяет строить распределения по размерам взвешенных в жидкости наночастиц в диапазоне от 1 нм до 10 мкм. В жидкости частицы находятся в процессе броуновского движения, их диффузия и скорость обратно пропорциональны размерам. Для определения коэффициента диффузии производится анализ характерной частотно-временной флуктуации интенсивности светорассеяния в заданном угловом спектре и решается соответствующая обратная задача.

Для диагностики онкологических заболеваний известны способы исследования растворов плазмы крови пациента методом ЛКС, позволяющие оценивать пространственно-структурные изменения молекулярных комплексов в плазме крови и на основе полученных данных диагностировать онкологическое заболевание, либо высокую вероятность его возникновения.

Известен способ диагностики онкологических заболеваний путем исследования слабого водного раствора нативной плазмы или нативной сыворотки крови пациента методом ЛКС [патент RU 2132635, 07.10.1999, А61В 5/00].

Известен способ диагностики онкологических заболеваний [патент RU2219549, 30.09.2002, G01N 33/52, G01N 33/49], включающий исследование методом ЛКС двух слабых водных растворов нативной плазмы или нативной сыворотки крови пациента, в один из которых добавляют щелочь, а в другой - кислоту.

Известен способ диагностики онкологических заболеваний [патент RU2276786, 24.01.2005, G01N 33/48], включающий последовательное исследование методом ЛКС трех слабых водных растворов нативной плазмы или нативной сыворотки крови пациента, при этом в один из растворов добавляют щелочь, в другой - кислоту, а третий свободный от щелочи и кислоты подвергают СВЧ-воздействию.

Известные способы диагностики онкологических заболеваний с использованием ЛКС направлены на повышение эффективности диагностики.

Общим недостатком упомянутых способов является их инвазивность и, следовательно, связанная с ней травматичность и болезненность процедуры забора биологического материала - крови, необходимость использования труда квалифицированных медработников, соблюдения мер безопасности для обеспечения профилактики ВИЧ-инфекции, вирусного гепатита и других инфекционных заболеваний, а также сложность в подготовке материала к исследованию, что делает известные способы непригодными для скрининга и массового обследования населения.

Задачей настоящего изобретения является создание неинвазивного способа нанодиагностики онкологических заболеваний.

Поставленная задача решается путем использования материала, не использовавшегося ранее для диагностики онкозаболеваний способом лазерной корреляционной спектроскопии и не требующего специальной подготовки процедур нанодиагностики.

Новый неинвазивный способ лазерной нанодиагностики онкологических заболеваний заключается в исследовании биологической жидкости пациента методом ЛКС, определении диагностического показателя и диагностировании заболевания по значению диагностического показателя и отличается тем, что в качестве биологической жидкости используют фильтрованную мочу пациента, а в качестве диагностического показателя пациента используют среднеквадратичное отклонение от эталонной частотно-временной флуктуации интенсивности светорассеяния в полосе частот 1-10⁶ Гц.

На фигурах представлены примеры распределения размеров частиц в моче здорового человека и больных онкоурологическими и рядом других заболеваний, а также результаты анализа полученных экспериментальных данных. Фигуры подробно описаны в разделе «Обоснование промышленной применимости».

Предлагаемый способ позволяет оценить состояние организма путем прямого измерения распределения по размерам наноструктур в моче человека по результатам ее лазерной корреляционной спектроскопии.

Способ осуществляют путем выполнения ряда последовательных операций:

1) центрифугируют исследуемый образец мочи обследуемого пациента не менее 15 минут со скоростью 2000-3000 об/мин (центрифугирование применяется во всех известных способах диагностики онкозаболеваний с помощью лазерной корреляционной спектроскопии для подготовки биологического материала к исследованию);

2) получают надосадочный слой центрифугированного образца мочи и помещают его в пробирку для дальнейших исследований;

3) измеряют флуктуации интенсивности светорассеяния в полосе частот 1-10⁶ Гц в исследуемом образце мочи методом ЛКС;

4) определяют значения диагностического показателя, вычисляя среднеквадратичное отклонение частотно-временных флуктуации интенсивности светорассеяния в полосе частот 1-10⁶ Гц пациента от эталонной частотно-временной флуктуации интенсивности светорассеяния в той же полосе частот, причем эталонную флуктуацию интенсивности светорассеяния определяет данный параметр у заведомо здоровых пациентов;

5) сравнивают диагностический показатель с принятым за норму у обследованных данным методом пациентов показателем, причем нормальный показатель получают по экспериментальной статистически представительной базе данных, содержащей диагностические показатели как клинических верифицированных онкологических больных, так и неонкологических больных, а также практически здоровых;

6) определяют наличие или высокую вероятность возникновения онкологического либо иного заболевания по факту выхода полученных значений диагностического показателя за пределы допустимого интервала значений, принятого за норму.

Способ осуществляют с использованием любых приборов, которые реализуют метод лазерной корреляционной спектроскопии, либо лазерной доплеровской спектроскопии, которые позволяют измерять распределение по размерам наночастиц и наноструктур в жидкости.

Предлагаемый способ диагностики онкологических заболеваний не предусматривает специальной подготовки материала к исследованию, не требует использования труда высококвалифицированного медицинского персонала. При его использовании нет необходимости соблюдения мер повышенной безопасности по обеспечению профилактики ВИЧ-инфекции, вирусного гепатита и других инфекционных заболеваний.

Предлагаемый способ диагностики является неинвазивным и может широко использоваться с целью профилактического скрининга населения, не только взрослых, но и детей (формирования групп повышенного онкориска с последующим мониторингом).

Обоснование промышленной применимости.

В ходе мультидисциплинарных поисковых работ по физической жидкостной нанодиагностике специалистами ИТ СО РАН и ОАО «ИОИТ» совместно с онкоурологическим отделением Муниципальной клинической больницы №1 г. Новосибирска был проведен комплекс предварительных лабораторных исследований по заявляемому неинвазивному способу лазерной нанодиагностики онкологических заболеваний.

Методы ЛКС и лазерной доплеровской спектроскопии наночастиц в биологической жидкости реализованы в известных лазерных доплеровских спектрометрах ЛАД-075/079, разработанных и созданных авторами, которые использовались при проведении экспериментальных исследований.

Была накоплена представительная и доказательная статистика распределения размеров наночастиц в моче здоровых доноров и больных онкоурологическими заболеваниями. Получены предварительные данные корреляций пространственных характеристик наноструктур в моче и поставленных врачами диагнозов. Показана перспективность предложенного подхода для целей ранней диагностики онкоурологических заболеваний.

На чертежах представлены примеры графиков распределения наночастиц (белков) в моче здорового человека и больных онкоурологическими заболеваниями.

На фиг.1 показано распределение наночастиц в моче здорового человека.

На фиг.2 показано распределение наночастиц в моче больного раком почки. Видно наличие более широкого разброса пиков. Есть объекты в районе 2 мкм и нанообъекты с размерами 20-40 нм.

На фиг.3 показано распределение частиц в моче больного раком простаты. Есть нанообъекты размером 20-40 нм.

На фиг.4 показано распределение частиц в моче больного раком мочевого пузыря. Присутствуют объекты в районе 2 мкм и нанообъекты размером 20-40 нм.

На фиг.5 показана набранная статистика распределения наночастиц в моче здоровых доноров и больных онкоурологическими заболеваниями.

Ошибка первого рода предложенного способа нанодиагностики онкологических заболеваний составила 3,8%, что ниже допустимого уровня значимости, составляющего величину, равную 5%. Чувствительность способа по данным экспериментов составила 83%, что является очень хорошим показателем для способа скрининга.

На базе АНО «Центр новых медицинских технологий в Академгородке» Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (г. Новосибирск, руководитель академик РАН В.В. Власов) накоплена представительная статистика распределений наночастиц в моче с параллельным биохимическим анализом 163 доноров. Выполнен корреляционный анализ всего массива полученных экспериментальных данных. Доказана работоспособность заявляемого способа и его перспективность. Отмечена возможность применения заявляемого способа лазерной нанодиагностики по анализу распределения наночастиц в моче человека к широкому спектру заболеваний.

На фиг. 6-11 представлены примеры распределения наночастиц в моче больных другими онкозаболеваниями.

На фиг. 6 показано распределение частиц в моче больного раком легкого. Присутствуют нанообъекты в широком диапазоне от 10 до 100 нм.

На фиг. 7 показано распределение частиц в моче больного раком желудка. Широкий разброс наночастиц с ярко выраженными пиками на 25 нм и 110 нм. Есть объекты в районе 2 мкм.

На фиг. 8 показано распределение частиц в моче больного раком шейки матки. Нанообъекты от 10 до 100 нм, пики на 15 и 90 нм.

На фиг. 9 показано распределение частиц в моче больного раком молочной железы. Есть нанообъекты размером 20-40 нм, а также от 700 до 1000 нм.

На фиг. 10 показано распределение частиц в моче больного раком щитовидной железы. Есть нанообъекты с размерами 10-200 нм.

На фиг. 11 показано распределение частиц в моче больного раком головного мозга. Широкий разброс частиц с размерами от 10 нм до 2 мкм с множественными пиками.

На фиг. 12÷15 представлены результаты корреляционного анализа.

На фиг. 12 показана корреляция между положением 2-го пика в распределении размеров частиц в моче человека и его возрастом. Коэффициент корреляции Спирмена равен 0,222. Видно, что распределение наночастиц по размерам в моче человека зависит от возраста.

На фиг. 13÷15 отображены зависимости параметров распределения размеров частиц в моче человека и некоторых параметров биохимических анализов. Полученные зависимости свидетельствуют о возможности применения способа лазерной корреляционной спектроскопии для диагностики не только онкоурологических заболеваний, но и более широкого спектра заболеваний.

На фиг. 13 показано корреляция между положением 2-го пика в распределении размеров частиц в моче человека и уровнем мочевины в крови. Коэффициент корреляции Спирмена равен 0,549.

На фиг. 14 показано корреляция между полушириной 2-го пика в распределении размеров частиц в моче человека и уровнем ACT. Коэффициент корреляции Спирмена равен 0,313.

На фиг. 15 показано корреляция между положением 2-го пика в распределении размеров частиц в моче человека и уровнем глюкозы в крови. Коэффициент корреляции Спирмена равен 0,341.

Предлагаемый способ обладает рядом принципиальных преимуществ для практики, так как безопасность, простота, удобство, малые затраты на реализацию позволяют использовать его при профилактических массовых обследованиях населения, а также в условиях взрослых и детских клиник.

Экспериментальные исследования подтвердили высокую точность способа, а также возможность применения его для диагностики не только онкоурологических, но и более широкого спектра заболеваний.

Неинвазивный способ лазерной нанодиагностики онкологических заболеваний, заключающийся в исследовании биологической жидкости пациента методом лазерной корреляционной спектроскопии, определении диагностического показателя и диагностировании заболевания по значению диагностического показателя, отличающийся тем, что в качестве биологической жидкости используют мочу пациента, а диагностический показатель пациента вычисляют как среднеквадратичное отклонение от эталонной частотно-временной флуктуации интенсивности светорассеяния в полосе частот 1-10⁶ Гц.