Помощь студентам в учебе
ПАРАМАГНИТНЫЕ ЦЕНТРЫ ИОНОВ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА В ГИДРОКСИАПАТИТЕ БИОГЕННОГО И СИНТЕТИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
|
Введение
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 6
1.1 Атеросклероз: понятие, морфология патогенеза 6
1.2 Патогенез и причины развития атеросклероза 10
1.3 Кальцификация атеросклеротической бляшки брахиоцефальных артерий 12
1.4 Роль марганца в организме человека 15
1.5 Био доступность железа в организме 16
1.6 Роль железа в развитии окислительного стресса. Понятие «свободное»
железо (free iron pool) 19
1.7 Роль «свободного» железа в атеросклерозе 23
1.8 Основы ЭПР спектроскопии 25
2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 31
2.1 Электронный парамагнитный резонанс атеросклеротической бляшки .... 31
2.2 ЭПР ионов железа в ГАП 34
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 44
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 6
1.1 Атеросклероз: понятие, морфология патогенеза 6
1.2 Патогенез и причины развития атеросклероза 10
1.3 Кальцификация атеросклеротической бляшки брахиоцефальных артерий 12
1.4 Роль марганца в организме человека 15
1.5 Био доступность железа в организме 16
1.6 Роль железа в развитии окислительного стресса. Понятие «свободное»
железо (free iron pool) 19
1.7 Роль «свободного» железа в атеросклерозе 23
1.8 Основы ЭПР спектроскопии 25
2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 31
2.1 Электронный парамагнитный резонанс атеросклеротической бляшки .... 31
2.2 ЭПР ионов железа в ГАП 34
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 44
Атеросклероз - хроническое заболевание артерий эластического и мышечно-эластического типа, возникающее вследствие нарушения липидного и белкового обмена и сопровождающееся отложением холестерина и некоторых фракций липопротеидов в интиме сосудов. Отложения формируются в виде атероматозных бляшек. Последующее разрастание в них соединительной ткани, и кальциноз стенки сосуда приводят к деформации и сужению просвета вплоть до закупорки сосуда [1].
Стабильная атеросклеротическая бляшка (АСБ) достигает своих критических размеров, в дальнейшем разрыв АСБ может привести к тромбозу сосуда, что сопутствует сердечно сосудистым заболеваниям (ССЗ) таким, как ишемическая болезнь сердца (ИБС), инфаркт миокарда, хроническая недостаточность кровообращения и ряд других заболеваний, которые могут привести к летальному исходу [2].
Происхождение и механизмы образования АСБ до сих пор мало изучены. Одним из важных компонентов изучения патогенеза атеросклероза является кальцификация АСБ [3]. Минеральная фаза кальцификатов АСБ представлена по большей части замещенным гидроксиапатитом (ГА), с химической формулой Ca10(PO4)6(OH)2, который активно абсорбирует металлические комплексы, в том числе и парамагнитные, высвобождаемые из нормальных и деструктивных клеток стенки сосуда. Таким образом, парамагнитные комплексы в ГА могут служить «внутренними маркерами» состояния органоминеральной матрицы АСБ. В качестве основных парамагнитных комплексов в организме человека рассматриваются л^2+ тг~2+ тг~3+ 2+ комплексы ионов Mn, Fe, Fe, Cu, отслеживание и изучение которых возможно при помощи электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Очевидно, ЭПР исследования могут дать дополнительную, недоступную другим методам или дополняющую их информацию об объекте исследования. Этим обуславливается актуальность представленной работы.
Известно, что ГА, являясь неорганическим матриксом костной ткани и успешно применяемый в качестве биоматериала в биохимической и медицинской практике (стоматология, костная хирургия, имплантология, ортопедия и пр.), совместим с наноразмерными железосодержащими частицами [4]. В работе было изучено влияние малых количеств ионов железа(Ш) на морфологию, фазовый состав и структуру продуктов, образующихся в условиях синтеза нано-ГА. Показано, что введение в реакционную среду на различных стадиях образования ГА примесных ионов железа позволяет контролировать рост кристаллов, их морфологию и фазовый состав.
Цель дипломной работы заключается в изучении спектров ЭПР АСБ и спектров ЭПР ГА с примесями железа и марганца для оценки возможностей ЭПР спектроскопии в исследовании процессов кальцификации и стабилизации АСБ, используя нативные парамагнитные маркеры указанных ионов, а также для характеризации новых биомедицинских материалов на основе замещенных ГА.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Исследование атеросклеротической бляшки методами
высокочастотного и импульсного ЭПР;
2) Исследование модельных образцов ГА с примесями железа и марганца методами ЭПР.
Объектами настоящего исследования являются синтетические образцы порошков гидроксиапатита с примесью металлов (марганца и железа) и лиофилизированные образцы АСБ, полученные в ходе хирургических операций.
Работа состоит из введения, двух глав, которые подразделены на параграфы, заключения и списка использованной литературы.
Первая глава посвящена литературному обзору поставленной проблемы с различных (медицинских, биохимических, биофизических и физических), включая материалы и методологию проведения исследования. Во второй главе собраны полученные экспериментальные результаты и дано их обсуждение. Заключение содержит основные выводы работы.
Часть приведенных в работе исследований опубликована в соавторстве в рецензируемом журнале BioMed Research International, индексируемом в базах данных Scopus и WoS (IF = 2.134).
Стабильная атеросклеротическая бляшка (АСБ) достигает своих критических размеров, в дальнейшем разрыв АСБ может привести к тромбозу сосуда, что сопутствует сердечно сосудистым заболеваниям (ССЗ) таким, как ишемическая болезнь сердца (ИБС), инфаркт миокарда, хроническая недостаточность кровообращения и ряд других заболеваний, которые могут привести к летальному исходу [2].
Происхождение и механизмы образования АСБ до сих пор мало изучены. Одним из важных компонентов изучения патогенеза атеросклероза является кальцификация АСБ [3]. Минеральная фаза кальцификатов АСБ представлена по большей части замещенным гидроксиапатитом (ГА), с химической формулой Ca10(PO4)6(OH)2, который активно абсорбирует металлические комплексы, в том числе и парамагнитные, высвобождаемые из нормальных и деструктивных клеток стенки сосуда. Таким образом, парамагнитные комплексы в ГА могут служить «внутренними маркерами» состояния органоминеральной матрицы АСБ. В качестве основных парамагнитных комплексов в организме человека рассматриваются л^2+ тг~2+ тг~3+ 2+ комплексы ионов Mn, Fe, Fe, Cu, отслеживание и изучение которых возможно при помощи электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Очевидно, ЭПР исследования могут дать дополнительную, недоступную другим методам или дополняющую их информацию об объекте исследования. Этим обуславливается актуальность представленной работы.
Известно, что ГА, являясь неорганическим матриксом костной ткани и успешно применяемый в качестве биоматериала в биохимической и медицинской практике (стоматология, костная хирургия, имплантология, ортопедия и пр.), совместим с наноразмерными железосодержащими частицами [4]. В работе было изучено влияние малых количеств ионов железа(Ш) на морфологию, фазовый состав и структуру продуктов, образующихся в условиях синтеза нано-ГА. Показано, что введение в реакционную среду на различных стадиях образования ГА примесных ионов железа позволяет контролировать рост кристаллов, их морфологию и фазовый состав.
Цель дипломной работы заключается в изучении спектров ЭПР АСБ и спектров ЭПР ГА с примесями железа и марганца для оценки возможностей ЭПР спектроскопии в исследовании процессов кальцификации и стабилизации АСБ, используя нативные парамагнитные маркеры указанных ионов, а также для характеризации новых биомедицинских материалов на основе замещенных ГА.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Исследование атеросклеротической бляшки методами
высокочастотного и импульсного ЭПР;
2) Исследование модельных образцов ГА с примесями железа и марганца методами ЭПР.
Объектами настоящего исследования являются синтетические образцы порошков гидроксиапатита с примесью металлов (марганца и железа) и лиофилизированные образцы АСБ, полученные в ходе хирургических операций.
Работа состоит из введения, двух глав, которые подразделены на параграфы, заключения и списка использованной литературы.
Первая глава посвящена литературному обзору поставленной проблемы с различных (медицинских, биохимических, биофизических и физических), включая материалы и методологию проведения исследования. Во второй главе собраны полученные экспериментальные результаты и дано их обсуждение. Заключение содержит основные выводы работы.
Часть приведенных в работе исследований опубликована в соавторстве в рецензируемом журнале BioMed Research International, индексируемом в базах данных Scopus и WoS (IF = 2.134).
ГА в органоминеральном матриксе АСБ, обладая высокой абсорбционной способностью, может поглощать металлические комплексы, которые присутствуют в тканевом матриксе стенки сосуда и высвобождаются из клеток в ходе их функционирования и особенно в результате гибели. Mn2+ является таким металлом, который присутствует в АСБ как в клеточных элементах, так и в органоминеральном матриксе. Парамагнитные центры комплексов ионов Mn2+в гидроксиапатите кальцинированных АСБ различаются в их стабильном и нестабильном состоянии [35].
Наличие примесей переходных металлов в составе ГА способно заметно изменить такие его физико-химические свойства как растворимость, термическая стабильность, биохимическая активность, магнитные свойства и механическая прочность. Некоторые биологически активные металлы, присутствующие в виде примесей в ГА, способны стимулировать образование и дифференциацию костной ткани, поскольку входят в ее природный состав. Железо занимает особое место среди композитов ГА с соединениями металлов [36].
Исходя из полученных результатов исследования образцов АСБ и синтетического ГА, допированного ионами железа, можно сделать следующие выводы:
1) Методом высокочастотного ЭПР в слабо и
сильнокальцифицированных образцах АСБ обнаружены спектры, присущие парамагнитным центрам ионов Mn(II). Определены их спектроскопические параметры: А1=9.35(15) мТ и А2=9.15(15) мТ.
2) Измерена кинетика спада поперечной намагниченности ионов Mn(II), которые оказались различны при T = 8К для стабильных и нестабильных АСБ. Данное наблюдение может потенциально использоваться для изучения механизмов стабилизации АСБ.
3) Из сравнения спектров ЭПР в АСБ и порошках нано-ГА, допированных ионами марганца и проведенного РФА можно сделать вывод, что ионы марганца в АСБ находятся в кристаллической фазе ГА.
4) Изучены спектры ЭПР образцов ГА с примесью железа, детектированы сигналы от «внутренних» парамагнитных центров ионов железа Fe3+ (S=5/2) с g=4.27 и g=9.54. Сигнал с g=2.09 (шириной линии порядка 10 мТл при T = 300 K) скорее всего принадлежит антиферромагнитным комплексам железа на поверхности ГА.
Наличие примесей переходных металлов в составе ГА способно заметно изменить такие его физико-химические свойства как растворимость, термическая стабильность, биохимическая активность, магнитные свойства и механическая прочность. Некоторые биологически активные металлы, присутствующие в виде примесей в ГА, способны стимулировать образование и дифференциацию костной ткани, поскольку входят в ее природный состав. Железо занимает особое место среди композитов ГА с соединениями металлов [36].
Исходя из полученных результатов исследования образцов АСБ и синтетического ГА, допированного ионами железа, можно сделать следующие выводы:
1) Методом высокочастотного ЭПР в слабо и
сильнокальцифицированных образцах АСБ обнаружены спектры, присущие парамагнитным центрам ионов Mn(II). Определены их спектроскопические параметры: А1=9.35(15) мТ и А2=9.15(15) мТ.
2) Измерена кинетика спада поперечной намагниченности ионов Mn(II), которые оказались различны при T = 8К для стабильных и нестабильных АСБ. Данное наблюдение может потенциально использоваться для изучения механизмов стабилизации АСБ.
3) Из сравнения спектров ЭПР в АСБ и порошках нано-ГА, допированных ионами марганца и проведенного РФА можно сделать вывод, что ионы марганца в АСБ находятся в кристаллической фазе ГА.
4) Изучены спектры ЭПР образцов ГА с примесью железа, детектированы сигналы от «внутренних» парамагнитных центров ионов железа Fe3+ (S=5/2) с g=4.27 и g=9.54. Сигнал с g=2.09 (шириной линии порядка 10 мТл при T = 300 K) скорее всего принадлежит антиферромагнитным комплексам железа на поверхности ГА.