Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Башкатов А. Н., Генина Э. А., Тучин В. В. Определение коэффициента диффузии глюкозы в твердой мозговой оболочке человека // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2018. Т. 18, вып. 1. С. 32-45. DOI: 10.18500/1817-3020-2018-18-1-32-45

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 201)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Биофизика и медицинская физика
УДК: 
535.8:535.36:57.085.2:57.013:53.06:76.03.29
DOI: 
10.18500/1817-3020-2018-18-1-32-45

Определение коэффициента диффузии глюкозы в твердой мозговой оболочке человека

Авторы: 
Башкатов Алексей Николаевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Генина Элина Алексеевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Тучин Валерий Викторович, Научный медицинский центр, Саратовский национальный исследовательский государственный университет
Аннотация: 

Объект и цель исследования. Оптическое просветление твердой мозговой оболоч- ки за счет применения гиперосмотических иммерсионных жидкостей важно для развития неинвазивных методов оптической томографии мозга и при исследовании микроциркуляции и гомеостаза тканевых жидкостей. Оно позволяет значительно увеличить пространственное разрешение и глубину зондирования тканей. Очевидно, что количественное описание процессов оптического просветления требует разработки надежных физико-математических моделей, которые, в свою очередь, требуют знания параметров скорости диффузии иммерсионных агентов в биотканях. И хотя диффузия многих био- логически совместимых веществ, в частности глюкозы, в водных растворах достаточно хорошо описана, их диффузия в биотканях продолжает оставаться малоизученной об- ластью исследований. Таким образом, целью данной работы является измерение относительного коэффициента диффузии глюкозы в твёрдой мозговой оболочке человека. Материалы и методы. Исследования были выполнены in vitro на 10 образцах твердой мозговой оболочки человека. Метод оценки относительного коэффициента диффузии иммерсионных жидкостей в биоткани основан на анализе кинетики изменения коллимированного пропускания образца биоткани под действием данных жидкостей. Кинетика замещения внутритканевой жидкости регистрировалась путем последовательной записи спектров коллимированного пропускания в диапазоне 400–700 нм на спектрометре USB4000-Vis-NIR (Ocean Optics, США). Для количественного описания процесса замещения предложена модель, предполагающая постоянство коэффициента диффузии во всем объеме образца биоткани. В работе представлены результаты экспериментов, выполненных для 40%-ного раствора глюкозы. Определение коэффициента диффузии глюкозы выполнено путем аппроксимации экспериментальных данных в рамках предложенной модели. Результаты. Было получено, что значение коэффициента диффузии глюкозы в твердой мозговой оболочке равно 6.08×10-6 ± 2.26×10-8 см2 /с. Коэффициент проницаемости твердой мозговой оболочки для глюкозы, рассчитанный с использованием 1-го закона Фика, равен (1.3 ±0.13)×10^(−4) cм/с. Полученные результаты могут быть использованы как при разработке новых и оптимизации существующих неинвазивных методов оптической томографии, так и для развития методов лазерной терапии различных заболеваний мозга.

Ключевые слова: 
коэффициент диффузии
твердая мозговая оболочка
глюкоза
управление оптическими параметрами биотканей
Список источников: 
  1. Tuchin V. V. Optical clearing of tissues and blood. Bellingham, WA, USA : SPIE Press, 2005. Vol. PM 154. 254 p. 
  2. Genina E. A., Bashkatov A. N., Tuchin V. V. Tissue optical immersion clearing // Expert Review of Medical Devices. 2010. Vol. 7, № 6. P. 825–842. 
  3. Genina E. A., Bashkatov A. N., Sinichkin Yu. P., Yanina I. Yu., Tuchin V. V. Optical clearing of biological tissues : prospects of application in medical diagnostics and phototherapy // J. Biomed. Photonics & Eng. 2015. Vol. 1, № 1. P. 22–58. 
  4. Genina E. A., Bashkatov A. N., Sinichkin Yu. P., Yanina I. Yu., Tuchin V. V. Optical clearing of tissues : benefi ts for biology, medical diagnostics, and phototherapy // Handbook of Optical Biomedical Diagnostics / ed. Valery V. Tuchin. 2nd ed. : in 2 vol. Vol. 2. Methods. Bellingham, WA, USA, SPIE Press, 2016. Ch. 10. P. 565–637. 
  5. Genina E. A., Bashkatov A. N., Larin K. V., Tuchin V. V. Light-tissue interaction at optical clearing // Laser Imaging and Manipulation in Cell Biology / ed. Francesco S. Pavone. Weinheim, Germany, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., 2010. Ch. 7. P. 115–164. 
  6. Genina E. A., Bashkatov A. N., Tuchin V. V. Glucoseinduced optical clearing effects in tissues and blood // Handbook of Optical Sensing of Glucose in Biological Fluids and Tissues / ed. Valery V. Tuchin. Taylor & Francis Group LLC ; CRC Press, 2009. Ch. 21. P. 657–692. 
  7. Cheng H., Luo Q., Zeng S., Chen S., Luo W., Gong H. Hyperosmotic chemical agent’s effect on in vivo cerebral blood fl ow revealed by laser speckle // Appl. Opt. 2004. Vol. 43, № 31. P. 5772–5777. 
  8. Zhu D., Larin K., Luo Q., Tuchin V.V. Recent progress in tissue optical clearing // Laser & Photonics Reviews. 2013. Vol. 7, № 5, P. 732–757.
  9. Cheshire E. C., Malcomson R.D.G., Joseph S., Biggs M.J.B., Adlam D., Rutty G. N. Optical clearing of the dura mater using glycerol : a reversible process to aid the post-mortem investigation of infant head injury // Forensic Science, Medicine, and Pathology. 2015. Vol. 11, № 3. P. 395–404. 
  10. Susaki E. A., Tainaka K., Perrin D., Kishino F., Tawara T., Watanabe T. M., Yokoyama C., Onoe H., Eguchi M., Yamaguchi S., Abe T., Kiyonari H., Shimizu Y., Miyawaki A., Yokota H., Ueda H. R. Whole-brain imaging with single-cell resolution using chemical cocktails and computational analysis // Cell. 2014. Vol. 157. P. 726–739. 
  11. Wang J., Zhang Y., Li P., Luo Q., Zhu D. Review : tissue optical clearing window for blood fl ow monitoring // IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics. 2014. Vol. 20, № 2. 6801112. 
  12.  Zhang Y., Zhang C., Zhong X., Zhu D. Quantitative evaluation of SOCS-induced optical clearing effi ciency of skull // Quantitative Imaging in Medicine and Surgery. 2015. Vol. 5, № 1. P. 136–142. 
  13. Генина Э. А., Башкатов А. Н., Семячкина-Глушковская О. В., Тучин В. В. Оптическое просветление че- репной кости многокомпонентными иммерсионными растворами и визуализация церебрального венозного кровотока // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2017. Т. 17, вып. 2. С. 98–110. 
  14. Genina E. A., Bashkatov A. N., Tuchin V. V. Optical clearing of cranial bone // Advances in Optical Technologies. 2008. Vol. 2008. 267867. 
  15.  Bashkatov A. N., Genina E. A., Sinichkin Yu. P., Kochubey V. I., Lakodina N. A., Tuchin V. V. Glucose and mannitol diffusion in human dura mater // Biophys. J. 2003. Vol. 85, № 5. P. 3310–3318. 
  16. ГенинаЭ. А., Башкатов А. Н., Кочубей В. И., Тучин В. В. Оптическое просветление твердой мозговой оболочки человека // Оптика и спектроскопия. 2005. Т. 98, № 3. С. 515–521. 
  17. Yao L., Cheng H., Luo Q., Zhang W., Zeng S., Tuchin V. V. Control of rabbit dura mater optical properties with osmotical liquids // Proc. SPIE. 2002. Vol. 4536. P. 147–152. 
  18.  Genina E. A., Bashkatov A. N., Tuchin V. V. Optical clearing of human dura mater by glucose solutions // Journal of Biomedical Photonics & Engineering. 2017. Vol. 3, № 1. 010309. 
  19. Boas G. Immersion liquids increase optical penetration of brain tissue // Biophotonics Research. 2004. Vol. 1. P. 61–63. 
  20. Mourant J. R., Freyer J. P., Hielscher A. H., Eick A. A., Shen D., Johnson T. M. Mechanisms of light scattering from biological cells relevant to non-invasive optical tissue diagnostics // Appl. Opt. 1998. Vol. 37, № 16. P. 3586–3593. 
  21. Tuchin V. V. Tissue optics : Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis. 3rd ed. Bellingham, WA, USA : SPIE Press, 2015. Vol. PM254. 934 p. (SPIE Tutorial Text in Optical Engineering). 
  22. Genina E. A., Bashkatov A. N., Korobko A. A., Zubkova E. A., Tuchin V. V., Yaroslavsky I., Altshuler G. B. Optical clearing of human skin : comparative study of permeability and dehydration of intact and photothermally perforated skin // J. Biomed. Opt. 2008. Vol. 13, № 2. 021102.
  23. Yu T., Qi Y., Zhu J., Gong H., Luo Q., Zhu D. Elevatedtemperature-induced acceleration of PACT clearing process of mouse brain tissue // Scientifi c Reports. 2017. Vol. 7. 38848. DOI: https://doi.org/10.1038/srep38848
  24. Larin K. V., Ghosn M. G., Bashkatov A. N., Genina E. A., Trunina N. A., Tuchin V. V. Optical clearing for OCT image enhancement and in-depth monitoring of molecular diffusion // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2012. Vol. 18, № 3. P. 1244–1259. 
  25.  Генина Э. А., Башкатов А. Н., Синичкин Ю. П., Тучин В. В. Оптическое просветление склеры глаза in vivo под действием глюкозы // Квантовая Электроника. 2006. Т. 36, № 12. С. 1119–1124. 
  26. Richardson D. S., Lichtman J. W. Clarifying tissue clearing // Cell. 2015. Vol. 162. P. 246–257.
  27. Yu T., Qi Y., Wang J., Feng W., Xu J., Zhu J., Yao Y., Gong H., Luo Q., Zhu D. Rapid and prodium iodidecompatible optical clearing method for brain tissue based on sugar/sugar-alcohol // J. Biomed. Opt. 2016. Vol. 21, № 8. 081203. 
  28. Silvestri L., Mascaro A.L.A., Lotti J., Sacconi L., Pavone F. S. Advanced optical techniques to explore brain structure and function // Journal of Innovative Optical Health Sciences. 2013. Vol. 6, № 1. 1230002. 
  29.  d’Esposito A., Nikitichev D., Desjardins A., WalkerSamuel S., Lythgoe M. F. Quantifi cation of light attenuation in optically cleared mouse brains // J. Biomed. Opt. 2015. Vol. 20, № 8. 080503. 
  30. Hama H., Kurokawa H., Kawano H., Ando R., Shimogori T., Noda H., Fukami K., Sakaue-Sawano A., Miyawaki A. Scale : a chemical approach for fl uorescence imaging and reconstruction of transparent mouse brain // Nature Neuroscience. 2011. Vol. 14, № 11. P. 1481–1488. 
  31.  Пири А., Гейнинген Р. ван. Биохимия глаза. М. : Ме- дицина, 1968. 400 с. 
  32.  Huang Y., Meek K. M. Swelling studies on the cornea and sclera : the effects of pH and ionic strength // Biophysical J. 1999. Vol. 77. P. 1655–1665. 
  33. Розентул М. А. Общая терапия кожных болезней. М. : Медицина, 1970. 470 с. 
  34.  Bashkatov A. N., Genina E. A., Tuchin V. V. Measurement of glucose diffusion coeffi cients in human tissues // Handbook of Optical Sensing of Glucose in Biological Fluids and Tissues / Ed. Valery V. Tuchin. Taylor & Francis Group LLC, CRC Press, 2009. Ch. 19. P. 587–621. 
  35.  Alves L. A., Silva J.B.A., Giulietti M. Solubility of D-glucose in water and ethanol/water mixtures // J. Chem. Eng. Data. 2007. Vol. 52, № 6. P. 2166–2170. 
  36. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия. М. : Медицина, 1998. 704 с. 
  37. Равич-Щербо М. И., Новиков В. В. Физическая и коллоидная химия. М. : Высш. шк., 1975. 255 с. 
  38. Culav E. M., Clark C. H., Merrilees M. J. Connective tissue : matrix composition and its relevance to physical therapy // Physical Therapy. 1999. Vol. 79. P. 308–319.
  39. Малкин А. Я., Чалых А. Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. М. : Химия, 1979. 304 с. 
  40. Чалых А. Е. Диффузия в полимерных системах. М. : Химия, 1987. 312 с.
  41. Maier J. S., Walker S. A., Fantini S., Franceschini M. A., Gratton E. Possible correlation between blood glucose concentration and the reduced scattering coeffi cient of tissues in the near infrared // Opt. Lett. 1994. Vol. 19, № 24. P. 2062–2064. 
  42. Schmitt J.M., Kumar G. Optical scattering properties of soft tissue : a discrete particle model // Appl. Opt. 1998. Vol. 37, № 13. P. 2788–2797. 
  43. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М. : Мир, 1986. 664 c. 
  44. Cox J. L., Farrell R. A., Hart R. W., Langham M. E. The transparency of the mammalian cornea // Journal of Physiology. 1970. Vol. 210, № 3. P. 601–616. 
  45. Press W. H., Tuekolsky S. A., Vettering W. T., Flannery B. P. Numerical recipes in C : the art of scientifi c computing. Cambridge : Cambridge University Press, 1992. 994 p. 
  46. Котык А., Яначек К. Мембранный транспорт. М. : Мир, 1980. 341 с. 
  47. Katchalsky A. Polyelectrolyte gels // Prog. Biophys. Chem. 1954. Vol. 4. P. 1–59. 
  48. Pitie A. The action of mustard gas on ox cornea collagen // Biochem. J. 1947. Vol. 41. P. 185–190. 
  49. Molteni C., Parrinello M. Glucose in aqueous solution by fi rst principles molecular dynamics // Journal of the American Chemical Society. 1998. Vol. 120. P. 2168–2171. 
  50.  Башкатов А. Н., Генина Э. А., Синичкин Ю. П., Ко- чубей В. И., Лакодина Н. А., Тучин В. В. Определение коэффициента диффузии глюкозы в склере глаза человека // Биофизика. 2003. Т. 48, № 2. С. 309–313. 
  51. Khalil E., Kretsos K., Kasting G.B. Glucose partition coeffi cient and diffusivity in the lower skin layers // Pharmaceutical Res. 2006. Vol. 23, № 6. P. 1227–1234. 
  52. Oliveira L. M., Carvalho M. I., Nogueira E., Tuchin V. V. The characteristic time of glucose diffusion measured for muscle tissue at optical clearing // Laser Physics. 2013. Vol. 23, № 7. 075606. 
  53. Тучин В. В., Башкатов А. Н., Генина Э. А., Синичкин Ю. П., Лакодина Н. А. In vivo исследование динамики иммерсионного просветления кожи человека // Письма в ЖТФ. 2001. Т. 27, № 12. С. 10–14. 
  54. Tuchina D. K., Shi R., Bashkatov A. N., Genina E. A., Zhu D., Luo Q., Tuchin V. V. Ex vivo optical measurements of glucose diffusion kinetics in native and diabetic mouse skin // J. Biophotonics. 2015. Vol. 8, № 4. P. 332–346. 
  55. Zhao Q. L., Si J. L., Guo Z. Y., Wei H. J., Yang H. Q., Wu G. Y., Xie S. S., Li X. Y., Guo X., Zhong H. Q., Li L. Q. Quantifying glucose permeability and enhanced light penetration in ex vivo human normal and cancerous esophagus tissues with optical coherence tomography // Laser Physics Letters. 2011. Vol. 8, № 1. P. 71–77. 
  56. Ghosn M. G., Mashiatulla M., Mohamed M. A., Syed S., Castro-Chavez F., Morrisett J. D., Larin K. V. Time dependent changes in aortic tissue during cold storage in physiological solution // Biochimica et Biophysica Acta. 2011. Vol. 1810, № 5. P. 555–560. 
  57. Xiong H., Guo Z., Zeng C., Wang L., He Y., Liu S. Application of hyperosmotic agent to determine gastric cancer with optical coherence tomography ex vivo in mice // J. Biomed. Opt. 2009. Vol. 14, № 2. 024029. 
  58. Amsden B. Solute diffusion within hydrogels. Mechanisms and models // Macromolecules. 1998. Vol. 31, № 23. P. 8382–8395. 
  59.  Beck R. E., Schultz J. S. Hindrance of solute diffusion within membranes as measured with microporous membranes of known pore geometry // Biochimica et Biophysica Acta. 1972. Vol. 255. P. 273–303.
Краткое содержание:
скачать
(загрузок: 121)
  • 1597 просмотров