DOI: 10.17586/2226-1494-2018-18-5-736-743


УДК537.86

ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЛИОБЛАСТОМЫ МОЗГА И АДЕНОКАРЦИНОМЫ ЛЕГКОГО ЧЕЛОВЕКА

Григорьев Р. О., Ходзицкий М. К., Тяньмяо Чжан . ., Демченко П. С.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Григорьев Р.О., Ходзицкий М.К., Чжан Тяньмяо, Демченко П.С. Изучение оптических свойств и спектральных характеристик глиобластомы мозга и аденокарциномы легкого человека // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 5. С. 736–743. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-5-736-743

Аннотация
Предмет исследования. Проведен качественный анализ возможности использования метода импульсной терагерцовой спектроскопии в целях диагностики онкологических изменений клеток при помощи измерения их оптических свойств и спектральных характеристик. С этой целью проведено культивирование двух онкологических клеточных линий U-251 (глиобластома мозга) и A549 (аденокарцинома легкого), получены дисперсии их показателя преломления, коэффициента поглощения и диэлектрической проницаемости. Проведено сравнение оптических свойств опухолевых клеток с оптическими свойствами здоровых клеток соединительной ткани. Опухолевые клетки, по сравнению со здоровыми, содержат большее количество OH-соединений. Терагерцовое излучение характеризуется сильным поглощением водой, в результате чего спектры здоровых и онкологических клеток различаются. Метод. Для изучения оптических свойств и получения спектральных характеристик исследуемых объектов применен метод импульсной терагерцовой спектроскопии в режиме «на пропускание». Исследуемые клеточные линии культивировались invitro. Оптические свойства образцов рассчитывались с помощью метода тонких пленок, а спектральные характеристики определялись с помощью Фурье-преобразования. Основные результаты. Показаны различия между дисперсиями диэлектрических проницаемостей, показателей преломления и коэффициентов поглощения онкологических клеточных линий U-251, A549 и здоровых клеток соединительной ткани в частотном диапазоне 0,2–1 ТГц. Выявлено, что онкологические клетки имеют более высокие значения показателя преломления и коэффициента поглощения, чем здоровые клетки соединительной ткани. У глиобластомы мозга
(U-251) обнаружен пик пропускания на частоте 0,24 ТГц. Практическая значимость. Полученные результаты могут лечь в основу метода интраоперационной диагностики рака мозга и легкого с помощью импульсной терагерцовой спектроскопии, а также быть полезны в иных исследованиях, например, в создании фантомов биотканей в терагерцовом диапазоне частот.

Ключевые слова: терагерцовая импульсная спектроскопия, диагностика онкологии, клеточные линии, метод тонких пленок, оптические свойства, спектральные характеристики, биофотоника

Список литературы
1.      Каприн А.Д. и др. Злокачественные новообразования в России в 2016 году (заболеваемость и смертность). М.: МНИОИ им. П.А.Герцена,2018. 250 с.
2.      Torre L.A., Bray F., Siegel R.L. et al. Global cancer statistics, 2012 // CA: A Cancer Journal for Clinicians. 2015. V. 65. N 2. P. 87–108. doi: 10.3322/caac.21262
3.      Walker D., Bendel A., Stiller C. et al. Central nervous system tumors / In: Cancer in Adolescents and Young Adults. Springer, 2017. P. 335–381. doi: 10.1007/978-3-319-33679-4_14
4.      Sherman J.H., Hoes K., Marcus J. et al. Neurosurgery for brain tumors: update on recent technical advances // Current Neurology and Neuroscience Reports. 2011. V. 11. N 3. P. 313–319. doi: 10.1007/s11910-011-0188-9
5.      Потапов А.А., Гаврилов А.Г., Горяйнов С.А. Интраоперационная флуоресцентная диагностика и лазерная спектроскопия в хирургии глиальных опухолей головного мозга // Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. 2012. Т. 76. № 5. С. 3-12.
6.      Unsgaard G., Ommedal S., Muller T. et al. Neuronavigation by intraoperative three-dimensional ultrasound: initial experience during brain tumor resection // Neurosurgery. 2002. V. 50. N 4. P. 804–812. doi: 10.1097/00006123-200204000-00022
7.      Siegel P.H. Terahertz technology in biology and medicine // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2004. V. 52. N 10. P. 2438–2447. doi: 10.1109/TMTT.2004.835916
8.      Xu X., Wu Y., He T. et al. Metamaterials-based terahertz sensor for quick diagnosis of early lung cancer // Chinese Optics Letters. 2017. V. 15. N 11. P. 111703. doi: 10.3788/COL201715.111703
9.      Pickwell E., Fitzgerald A.J., Cole B.E. et al. Simulating the response of terahertz radiation to basal cell carcinoma using ex vivo spectroscopy measurements // Journal of Biomedical Optics. 2005. V. 10. N 6. Art. 064021. doi: 10.1117/1.2137667
10.   Ashworth P.C., Pickwell-MacPherson E., Provenzano E. et al. Terahertz pulsed spectroscopy of freshly excised human breast cancer // Optics Express. 2009. V. 17. N 15. P. 12444–12454. doi: 10.1364/OE.17.012444
11.   Goryachuk A., Simonova A., Khodzitsky M., Borovkova M., Khamid A. Gastrointestinal cancer diagnostics by terahertz time domain spectroscopy // Proc. IEEE Int. Symposium on Medical Measurements and Applications. Rochester, USA, 2017. P. 134–137. doi: 10.1109/MeMeA.2017.7985863
12.   Oh S.J., Huh J.M., Kim S.H. et al. Terahertz pulse imaging of fresh brain tumor // Proc. 36th Int. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. Houston, USA, 2011. 2 p. doi: 10.1109/irmmw-THz.2011.6105230
13.   Meng K., Chen T.N. et al. Terahertz pulsed spectroscopy of paraffin-embedded brain glioma // Journal of Biomedical Optics. 2014. V. 19. N 7. P. 077001. doi: 10.1117/1.JBO.19.7.077001
14.   Enatsu T., Kitahara H., Takano K., Nagashima T.Terahertz spectroscopic imaging of paraffin-embedded liver cancer samples // Proc. 32nd Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves, and 15th Int. Conf. on Terahertz Electronics, 2007. P. 557–558. doi: 10.1109/ICIMW.2007.4516627
15.   Guseva V.A., Gusev S., Demchenko P., Sedykh E., Khodzitsky M. Optical properties of human nails in THz frequency range // Journal of Biomedical Photonics and Engineering. 2016. V. 2. N 4.Art. 040306.doi: 10.18287/jbpe16.02.040306
16.   Reid C.B., Reese G., Gibson A.P., Wallace V.P. Terahertz time-domain spectroscopy of human blood // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. 2013. V. 3. N 4. P. 363–367. doi: 10.1109/TTHZ.2013.2267414
17.   Png G.M., Choi J.W., Ng B.W. et al. The impact of hydration changes in fresh bio-tissue on THz spectroscopic measurements // Physics in Medicine and Biology. 2008. V. 53. N 13. P. 3501–3517. doi: 10.1088/0031-9155/53/13/007
18.   Wesseling P., Kros J.M., Jeuken J.W.M. The pathological diagnosis of diffuse gliomas: towards a smart synthesis of microscopic and molecular information in a multidisciplinary context // Diagnostic Histopathology. 2011. V. 17. N 11. P. 486–494. doi: 10.1016/j.mpdhp.2011.08.005
19.   Jnawali G., Rao Y., Yan H., Heinz T.F. Observation of a transient decrease in terahertz conductivity of single-layer graphene induced by ultrafast optical excitation // Nano Letters. 2013. V. 13. N 2. P. 524–530. doi: 10.1021/nl303988q
20.   Fukuda H., Minami T., Kawase K. Tissue characterization by using phase information of terahertz time domain spectroscopy // Proc. SPIE. 2017. V. 10103. Art. 1010319. doi: 10.1117/12.2249659
21.   HeLa Kyoto EGFP-EB3 growing [Электронныйресурс]. CLS. Режим доступа: http://clsgmbh.de/p1340_HeLa_Kyoto_EB3-EGFP_growing.html, свободный. Яз. англ. (датаобращения04.07.2018).
22.   Chopra N. et al. Fibroblasts cell number density based human skin characterization at THz for in-body nanonetworks // Nano Communication Networks. 2016. V. 10. P. 60–67. doi: 10.1016/j.nancom.2016.07.009
23.   Mittleman D.M., Nuss M.C., Colvin V.L. Terahertz spectroscopy of water in inverse micelles // Chemical Physics Letters. 1997. V. 275. N 3-4. P. 332–338. doi: 10.1016/S0009-2614(97)00760-4
24.   Xu J., Plaxco K.W., Allen S.J. Collective dynamics of lysozyme in water: terahertz absorption spectroscopy and comparison with theory // The Journal of Physical Chemistry B. 2006. V. 110. N 47. P. 24255–24259. doi: 10.1021/jp064830w
25. Terahertz Biomedical Science and Technology / Ed. Son J.H. CRC Press, 2014. 337 p


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2018 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика