Φασματοσκοπική μελέτη καρκινικών οστών με έμφαση στις μεταστάσεις

Abstract

The decrease of the absorption band at about 3500 cm-1, due to the stretching vibration of the hydroxyl group of hydroxyapatite, confirms the destruction of biological hydroxyapatite. The increase of the intensities of the absorption bands, which correspond to the stretching vibrations of vCH3 and vCH2 groups, is linked with the destruction of cell membranes. The characteristic band in the spectra at 1742 cm-1 which is assigned to stretching vibration of carbonyl-ester or aldehydes, is a “marker band” of the presence and progression of the disease. This band is connected with peroxidation of the biological macromolecules of membrane because of the oxidative stress and it increases in the patients who received radiotherapy. This band changes and shifts assigned to bending vibrations of Amide I and Amide II groups of proteins reveal that the disease influences the secondary structure of proteins ending up with the formation of fibrils and amyloid type proteins. The ratio of the band [Amide I1650]:[Amide II1550] increases in patients with metastasis, and it is higher in the patients that underwent radiotherapy. The observed changes in the spectra conclude the increase in the formation of polyglycans where the inorganic mass of hydroxyapatite is reduced. The infrared spectra of cancerous bones showed the presence of calcium phosphate salts which decrease the bones’ mechanical properties. The substitution of phosphate groups of hydroxyapatite with carbonate shows that cancerous bones undergo an accelerated aging.The appearance of the bands at 830, 805 and 820 cm-1 suggests that all three types of DNA, are present, corresponding to B-, A-, and Z-DNA, respectively. B-DNA is the native state, A-DNA the denatured and Z-DNA (820 cm-1) predominates in cancerous bones.

Η μετάσταση του καρκίνου των οστών είναι ένα από τα βασικά προβλήματαθεραπείας των καρκινοπαθών, δεδομένου ότι μειώνει την ποιότητα ζωής και αυξάνειτην θνητότητα. Οι φυσικοχημικές μέθοδοι της υπέρυθρης φασματοσκοπίας μεμετασχηματισμό Fourier, FT-IR και ανάλυση με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο SEM,εφαρμόστηκαν για την μελέτη των μεταβολών στην μοριακή δομή και τηνμορφολογία των οστών τις οποίες προκαλεί ο μεταστατικός καρκίνος.Η μελέτη περιλαμβάνει δείγματα από το μηριαίο οστό, βραχίονα καικερκίδας, ενηλίκων ασθενών ηλικίας 31 έως 82 ετών, οι οποίοι έπασχαν απόμεταστατικό καρκίνο των οστών, όπως διαγνώσθηκε ιστοπαθολογικά με χρώση κατάGoldamTrichrome. Για την ανάλυση SEM, προκειμένου να μη χαθούν χρήσιμεςπληροφορίες τα δείγματα δεν επικαλύφθηκαν με χρυσό ή άνθρακα. Ο αριθμός τωνδειγμάτων είναι περιορισμένος επειδή τα κατάγματα συμβαίνουν κυρίως στατελευταία στάδια της ασθένειας και οι περισσότεροι ασθενείς δεν φθάνουν ποτέ στοχειρουργείο για αποκατάσταση.Από την συγκριτηκή μελέτη των υπέρυθρων φασμάτων μεταξύ υγιών καικαρκινικών οστών διαπιστώθηκαν σημαντικές μεταβολές, οι οποίες αποδόθηκαν στοστάδιο και το είδους του καρκίνου. Γενικά, αποδείχθηκε ότι τα πλέον ευαίσθητασυστατικά των οστών στην επίδραση της ασθένειας είναι οι κολλαγονούχεςπρωτεΐνες και τα λιπίδια των μεμβρανών. Από την μεταβολή της δευτεροταγούςδομής των πρωτεϊνών και την παραγωγή αλδεϋδών φαίνεται ότι σε κάποιο από ταστάδια της ασθένειας επιδρούν οι ελεύθερες ρίζες, οι οποίες παράγονται κατά τονμεταβολισμό ή το οξειδωτικό στρες με αποτέλεσμα την υπεροξείδωση των λιπιδίωνκαι φωσφολιπιδίων. Η αύξηση της γλυκοζυλίωσης και οστεοπενίας συνδέθηκαν μεβασικά χαρακτηριστικά της ασθένειας και το στάδιο εξέλιξης.Από την μείωση της ταινίας περίπου στα 3500 cm-1στο υπέρυθρο φάσμα τουδείγματος η οποία αντιστοιχεί στις δονήσεις τάσης των ομάδων υδροξυλίου (νΟΗ)του υδροξυαπατίτη, επιβεβαιώνεται η καταστροφή του βιολογικού υδροξυαπατίτη. Ηαύξηση των εντάσεων των ταινιών στην περιοχή μεταξύ 3000-2850 cm-1, η οφειλόμενη στις αντισυμμετρικές και συμετρικές δονήσεις τάσης των μεθυλ (vCH3)και μεθυλεν (vCH2) ομάδων αποδίδεται στην καταστροφή των μεμβρανών τωνκαρκινικών κυττάρων. Η ταινία στα 1742 cm-1, η οποία αποδίδεται στην δόνησητάσης του καρβονυλίου (vCO) εστερικού χαρακτήρα, συνδέεται με την παραγωγήαλδεϋδών κατά την ανάπτυξη της ασθένειας και μπορεί να αποτελέσει δείκτη τηςπορείας της ασθένειας. Η ταινία αυτή συνδέεται με την υπεροξείδωση τωνβιολογικών μακρομορίων της μεμβράνης και δείχνει ότι οι ελεύθερες ρίζεςσυμμετέχουν σε κάποιο στάδιο της ασθένειας. Επιβεβαίωση του φαινομένου αποτελείτο γεγονός ότι η ένταση της ταινίας είναι αυξημένη στους ασθενείς που δέχθηκανραδιοθεραπεία.Η μεταβολή των ταινιών των δονήσεων κάμψης των ομάδων Αmide I καιΑmide II των πρωτεϊνών στην περιοχή 1650-1500 cm-1, αναδεικνύει ότι η ασθένειαεπιδρά στην δευτεροταγή δομή των πρωτεϊνών μεταβάλλοντας την δομή από α-έλικασε αναδίπλωση β-έλικας και σε προχωρημένο στάδιο σε τυχαία περιέλιξηκαταλήγοντας σε σχηματισμό ινιδίων και αμυλοειδών πρωτεϊνών. Ο λόγος τωνεντάσεων των ταινιών [Amide I1650]:[Amide II1550] αυξάνει σε ασθενείς μεμεταστατικό καρκίνο, η δε αύξηση είναι μεγαλύτερη σε όσους έχουν υποβληθεί σεακτινοθεραπεία.Από τις μεταβολές του φάσματος στην περιοχή 1250-900 cm-1, διαπιστώνεταιαφενός μεν η αυξημένη παραγωγή πολυγλυκανών (πολυσακχαρίτες) των καρκινικώνοστών, αφετέρου η μείωση της ανόργανης φάσης του υδροξυαπατίτη.Τα υπέρυθραφάσματα έδειξαν ότι η ανόργανη φάση των καρκινικών οστών δεν περιέχει βιολογικόυδροξυαπατίτη, αλλά αποτελείται από άλατα φωσφορικού ασβεστίου [Ca3(PO4)2,CaHPO4], τα οποία μειώνουν την μηχανική αντοχή των οστών. Η αντικατάσταση τωνφωσφορικών ομάδων του υδροξυαπατίτη με ανθρακικά ιόντα (CO32-) δείχνει τηνεπιταχυνόμενη γήρανση των οστών.Οι μεταβολλές στο DNA φαίνονται από την εμφάνιση των ταινιών στα 830,820 και 805 cm-1 που δείχνει ότι στα καρκινικά οστά επικρατεί το Ζ-DNA με τηνπαρουσία της ταινίας, 820 cm-1. Το Β-DNA (830 cm-1) είναι το φυσιολογικό, το Α-DNA (805 cm-1) αντιστοιχεί στο μη φυσιολογικό και το Ζ-DNA (820 cm-1)καρκινικό.