Φασματοσκοπική μελέτη ιστών και βιοϋλικών

Abstract

The aim of this work was the study of atheromatic plaques of coronary and carotid arteries, at a molecular level, using FT-IR spectroscopy and SEM analysis with EDAX equipment in order to answer some of the questions about the mechanism of atherogenesis leading to better treatment of the disease. From the FT-IR spectra it was suggested that the initial steps of atheromatic plaque formation depends on hyperoxidation of lipids, phospholipids and proteins of membranes. From the shift of several bands to lower frequencies in the region of 1800-1500 cm-1 it was suggested that the protein helices change their structure from a-helix to random coil depending on the clinical history of the patients. The band at 3080 cm-1 is assigned to the terminal olefinic group (=CH). The intensity of this olefinic bond was strongly associated with the LDL cholesterol in the serum of the patients and with the band at 1735 cm-1 could be used as marker for LDL cholesterol. FT-IR spectra of atheromas after dilution in organic solvents showed that apoA are diluted in the debris of lipids resulting in the inhibition of the physiological protective role of HDL cholesterol. In the case of hyperuricaemic patients, free hydrogen peroxide and superoxide anion radicals are overproduced, inhibiting the function of molybdoenzymes, leading to inactivation. This observation was also confirmed from the detection of molybdenum with EDAX analysis only in the atheromatic plaques of hyperuricaemic patients. The inactivation of molybdoenzymes entails the consumption of glutathioles (GSH). This is evidenced from the intensity increase of the bands in the region 600-400 cm-1, where the characteristic groups of C-S of thiols and S-S of disulfides absorb. SEM analysis showed that atheromatic plaques are rich in calcium carbonate. EDAX analysis showed the presence of heavy metals such as chromium, nickel, which were present in the working environment of the patient, showing the effect of environment on public health. In conclusion FT-IR spectroscopy is a promising and accurate method for the study of biological molecules and the development of the disease, since it provides valuable information for the current state of health in accordance with patient’s condition. The variations in the intensity, the shape and shifting of the bands indicate that oxidative stress in the organism produces free radicals of oxygen which are responsible for the initiation of peroxidation of membrane and further damage of the cell.

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η προσέγγιση και πιθανή απάντηση στον μηχανισμό αθηρογένεσης μελετώντας αθηρωματικές πλάκες στεφανιαίων και καρωτίδων αρτηριών με FT-IR φασματοσκοπία και SEM ανάλυση. Τα FT-IR φάσματα έδειξαν ότι η αθηροσκλήρωση οφείλεται στην υπεροξείδωση των λιπιδίων και πρωτεϊνών των μεμβρανών. Η επίδραση των ελευθέρων ριζών στις μεμβράνες προκαλεί σχάση του μήκους των ανθρακικών αλυσίδων των μεγαλομορίων που σχηματίζουν τις μεμβράνες, καταστρέφοντας την ευκινησία και την ρευστότητα των μεμβρανών με αποτέλεσμα την καταστροφή του κυττάρου. Η ταινία στα 3080 cm-1 αποδίδεται στην τερματική ολεφινική ομάδα (=CH). H ένταση της ταινίας αυτής είναι συνάρτηση της κλινικά υπολογισμένης LDL χοληστερόλης των ασθενών και σε συνδυασμό με την ταινία στα 1735 cm-1 μπορούν να αποτελέσουν δείκτες για την LDL χοληστερόλη. Μετά από διάλυση των αθηρωμάτων σε οργανικούς διαλύτες η FT-IR φασματοσκοπία έδειξε ότι οι apoΑ διαλύονται στα συσσωματώματα των λιποειδών ενώσεων και παρεμποδίζεται η φυσιολογική λειτουργία της HDL χοληστερόλης. Για τους υπερουρικαιμικούς ασθενείς διαπιστώθηκε ότι υπερπαράγονται ελεύθερες υπερόξυ ρίζες με αποτέλεσμα την παρεμπόδιση της λειτουργίας των μολυβδαινοενζύμων, άρα κα την αδρανοποίησή τους. Η παρατήρηση αυτή ενισχύθηκε και από την ανίχνευση μολυβδαινίου με EDAX ανάλυση στις αθηρωματικές πλάκες των υπερουρικαιμικών ασθενών. Η αδρανοποίηση των μολυβδαινοενζύμων συνεπάγεται την κατανάλωση των γλουταθειολών. Αυτό επιβεβαιώνεται από την αύξηση της έντασης της ταινίας του φάσματος στην περιοχή 600-400 cm-1 όπου απαντούν οι χαρακτηριστικές ταινίες των C-S ομάδων των θειολών και των S-S ομάδων των δισουλφιδίων, προϊόντων οξείδωσης των θειολών (GSH). Η SEM ανάλυση έδειξε ότι οι αθηρωματικές πλάκες είναι πλούσιες σε ανθρακικό ασβέστιο. Η EDAX ανάλυση έδειξε την παρουσία τοξικών μεταλλικών ιόντων, όπως χρώμιο, νικέλιο, τα οποία συνδέθηκαν με το εργασιακό περιβάλλον των ασθενών. Συμπερασματικά, φαίνεται ότι η FT-IR φασματοσκοπία μπορεί να αποτελέσει μια ακριβή μέθοδο μελέτης της εξέλιξης της νόσου και να δώσει σημαντικές πληροφορίες για το εκάστοτε στάδιο σε συνάρτηση με την κλινική εικόνα του ασθενούς. Από τις μεταβολές των ταινιών γίνεται εμφανές ότι το οξειδωτικό στρες του οργανισμού ευθύνεται για την έναρξη της υπεροξείδωσης των μεμβρανών. Σε αντίθεση με τις μέχρι σήμερα ισχύουσες διαγνωστικές μεθόδους, η FT-IR φασματοσκοπία δίνει πληροφορίες για το είδος της βλάβης και θα μπορούσε να απαντήσει στην πρόβλεψη για πιθανή αιμορραγική κατάληξη.