Das Massenspektrometrielabor von Skoltech wird von einem korrespondierenden Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften geleitet
Was ist der Kern des Aufbaus von Lebensprozessen?
DNA ist eine lange Polymerkette, die Informationen darüber speichert, wie der Körper aussehen und funktionieren soll.Darin unterscheiden wir uns von anderen Artenund wie sich zwei Individuen derselben Art voneinander unterscheiden. Diese Moleküle bestimmen unsere Einzigartigkeit. Ich gebe Ihnen ein Beispiel: eine Raupe und den Schmetterling, zu dem sie heranwächst. Glauben Sie, dass ihre DNA-Moleküle unterschiedlich oder gleich sind? Tatsächlich lautet die richtige Antwort: das Gleiche. Genetische Informationen verändern sich im Laufe des Lebens in keiner Weise. Warum unterscheiden sich eigentlich Raupen und Schmetterlinge? Denn nicht alle in der DNA gespeicherten Informationen werden gleichzeitig realisiert. Die Umsetzung erfolgt durch den Prozess der Transkription, wodurch die Boten-RNA nach dem Ablesen einzelner Gene die Synthese von Proteinen ermöglicht.
Proteine sind universelle molekulare Maschinen in unserem Körper, die verschiedene Funktionen erfüllen: von der Konstruktion bis zur Regulierung.Eine der veralteten Definitionen des Lebens istgeordnete Existenz und Interaktion von Proteinmolekülen. Das Problem ist jedoch, dass auch Proteinmoleküle groß sind. Proteine sind ebenfalls Polymermoleküle mit einem großen Molekulargewicht: normalerweise zwischen 10 und mehreren hundert Kilodalton. Und der Aufbau grundlegender Lebensprozesse auf ihnen ist ziemlich problematisch, da sie sehr empfindlich auf Veränderungen der Temperatur und der äußeren Umgebung reagieren. Und das ist wahrscheinlich der Grund, warum fast alle lebenswichtigen Prozesse in einer Zelle durch kleine Moleküle realisiert werden. Und die Umwandlung kleiner Moleküle ineinander wird bereits durch Proteine gesteuert. Das Molekulargewicht dieser kleinen Moleküle liegt zwischen mehreren zehn und mehreren hundert Kilodalton. Alle kleinen Moleküle, die in einem lebenden Organismus vorkommen, werden Metaboliten genannt.
1 Dalton oder 1 Atommasseneinheit (amu)- eine systemexterne Masseneinheit, die für die Massen von Molekülen, Atomen, Atomkernen und Elementarteilchen verwendet wird.
1 a. Einheiten = 1,660 539 066 60 (50) ~ 10–27 kg.
Primärmetaboliten sind Chemikalien, die in allen Körperzellen vorkommen und für die Aufrechterhaltung lebenswichtiger Prozesse notwendig sind.Alle Polymermoleküle, Proteine undNukleinsäuren. Diese Metaboliten sind für alle Zellen eines Organismus gleich. Im Laufe des Lebens werden Stoffwechselprodukte ineinander umgewandelt, beispielsweise zum Zweck der Energieübertragung. Und diese Transformationspfade – Transformationsketten – nennt man Stoffwechselwege.
Der Krebszyklus oder der Tricarbonsäurezyklus ist für den Prozess der Zellatmung verantwortlich.
Verschiedene Stoffwechselwege im menschlichen Körper kreuzen sich, dh sie haben gemeinsame Teilnehmer.Somit sind alle Prozesse, die mit Metaboliten ablaufen, miteinander verbunden.
Sekundärmetaboliten sind Substanzen, die nicht für alle Zellen erforderlich sind, um ihre lebenswichtigen Funktionen sicherzustellen.Sie werden normalerweise zur Anpassung an Bedingungen verwendetAußenumgebung. Kaffeepflanzen produzieren beispielsweise Koffein, um ihre Blätter vor Schädlingen zu schützen. Sie sind giftig für Käfer, die die Blätter von Kaffeepflanzen fressen. Aber wenn wir irgendwie das gesamte Koffein aus der Pflanze entfernen, wird sie weiterleben. Es werden keine lebenswichtigen Prozesse gestört. Das zweite Beispiel sind Antibiotika. Sie wissen, dass Penicillin das erste Antibiotikum ist, und es wurde völlig zufällig aus Schimmelpilzen isoliert, was die Medizin revolutionierte. Schimmelpilze nutzen Penicillin, um ihren Lebensraum freizumachen. Für den Mutterorganismus ist es harmlos, für andere Mikroorganismen jedoch giftig. Tatsächlich nutzen Menschen diese Eigenschaft zur Behandlung verschiedener bakterieller Infektionen. Da der Mensch Pflanzen aktiv als Nahrung zu sich nimmt, ist unser Körper dicht mit verschiedenen Mikroorganismen besiedelt, die die Mikroflora bilden. Diese Stoffe sind Sekundärmetaboliten nicht nur des Menschen selbst, sondern auch lebender Organismen, die unweigerlich in unseren Körper gelangen.
Der natürliche Filter und warum es falsch ist
Xenometaboliten sind Antibiotika, Verbindungen, die nicht mit der Aktivität lebender Organismen assoziiert sind.Normalerweise ist es etwas, das eine Person erhalten hatkünstlich für verschiedene Zwecke. Zum Beispiel Medikamente, Lebensmittelzusatzstoffe, Nahrungsergänzungsmittel, Doping, Drogen, Tabakverbrennungsprodukte, Alkohol oder Hygieneprodukte, Haushaltschemikalien, Ökogifte. Dabei handelt es sich ebenfalls um kleine Moleküle, die sowohl absichtlich (bei Medikamenten) als auch versehentlich in den Körper gelangen. Sie haben zum Beispiel Ihre Zähne geputzt, Zahnpasta geschluckt – und so gelangten neue Chemikalien in Ihren Körper. Und viele dieser Stoffe können bereits in sehr geringen Konzentrationen bestimmte Auswirkungen auf unseren Körper haben. Darüber hinaus kann dieser Effekt entweder positiv oder negativ sein oder je nach Menge dieser Substanz variieren.
Die Leber ist die erste Barriere für den Eintritt von Fremdchemikalien in den systemischen Kreislauf.Es versucht, Moleküle herauszufilternDer Körper wird geschädigt und beseitigt sie, wodurch verhindert wird, dass sie weiter über den Blutkreislauf in die Organe gelangen. Die Leber verfügt über viele Filtermechanismen, aber keiner davon funktioniert zu 100 %: Andernfalls gäbe es keine Vergiftungen und schwerwiegenden Folgen bei der Einnahme von Giftstoffen oder Medikamenten. Allerdings macht sich die Leber zunutze, dass unser Körper größtenteils aus Wasser besteht, also zu 80 Prozent aus Wasser besteht. Daher versucht die Leber, die Moleküle in hydrophile, die sich in Wasser lösen, und hydrophobe zu sortieren. Die Leber „glaubt“, dass die Substanz, wenn sie hydrophil ist, weiter in den Körperkreislauf abgegeben werden kann, da sie keinen großen Schaden anrichten sollte. Und wenn eine Substanz hydrophob ist, muss etwas mit ihr gemacht werden, um eine weitere Freisetzung zu verhindern oder sie zumindest hydrophiler zu machen.
Die Leber hat zwei Mechanismen – Stoffwechselphasen.In der ersten Phase versucht die LeberSpezielle Proteine und Enzyme der Cytochrom-P450-Familie oxidieren diese Stoffe. Durch die Oxidation verändert sich die Struktur des Moleküls und es kann hydrophiler werden. Die Leber kann diese Metaboliten dann in den Blutkreislauf abgeben oder versuchen, sie über die Nieren, den Urin oder den Darm auszuscheiden. Gelingt dies nicht, kann die Leber an diese oxidierten Moleküle fertige, garantiert wasserlösliche Moleküle „annähen“.
Der Leberstoffwechsel erhöht die Vielfalt kleiner Moleküle, die in unserem Körper landen können.Beispielsweise werden im Stadium der Oxidation theoretisch mehr als 500 verschiedene neue andere Moleküle aus einem Molekül gebildet, und es ist nicht möglich vorherzusagen, welche von ihnen gebildet werden und welche nicht.
Das unendliche Alphabet: Warum es so schwierig ist, Metaboliten zu studieren
Nukleinsäuren können als Alphabet mit fünf Buchstaben dargestellt werden, aus dem eine große Textzeichenfolge aufgebaut ist.Ja, natürlich, die Buchstabenfolge darinDie DNA-Linie kann relativ chaotisch sein, obwohl sich die DNA im Laufe des Lebens nicht verändert, sondern einfach kopiert wird. Wir haben also bestimmte Einschränkungen hinsichtlich der Art dieser Zeichenfolge. Bei Proteinen ist die Situation etwas komplizierter: Es gibt bereits 20 Buchstaben im Alphabet, also 20 Aminosäuren, aus denen Proteine aufgebaut sind, aber auch das geschieht unfreiwillig. Daher sind diese Objekte aus Sicht des Forschers auch einander recht ähnlich. Und bei Metaboliten ist es äußerst problematisch, ein beliebiges Alphabet herauszusuchen: Tatsächlich handelt es sich hierbei um das gesamte Periodensystem. Und zu den Formationsregeln gehört nur die Valenzregel. Darüber hinaus gibt es in der Kohlenstoffchemie ein Merkmal, das es zwei Kohlenstoffatomen ermöglicht, sich miteinander zu verbinden und anschließend eine unbegrenzte Anzahl von Kohlenstoffatomen oder anderen Atomen aus dem Periodensystem hinzuzufügen, was zu einer enormen chemischen Vielfalt solcher Moleküle führt.
Um solche kleinen Moleküle und ihre Vielfalt zu untersuchen, sind spezielle Methoden erforderlich.Es gibt einfache:Zum Beispiel eine organoleptische Analyse, auf die jeder gestoßen ist, der einen allgemeinen Blut- oder Urintest gemacht und festgestellt hat, dass in der Richtung eine Linie „Geruch, Farbe“ vorhanden ist. Wenn es notwendig ist, ein bestimmtes Molekül in einer Lösung zu finden, wird ein Tropfen eines zuvor ausgewählten Reagenzes hinzugefügt. Befindet sich ein Molekül in der Lösung, kommt es zu einer Verfärbung; ist dies nicht der Fall, bildet sich nur ein Niederschlag. Zu den einfachen Methoden gehört auch die optische Spektroskopie, bei der man mithilfe eines Mikroskops Rückschlüsse auf die Struktur des Sediments ziehen kann. Immunchemische Methoden sind mittlerweile sehr beliebt: Dabei handelt es sich um den gleichen ELISA-Test für COVID-19.
Omics-Studien sind Studien, die eine vollständige Bevölkerung untersuchen.Und Metabolomics impliziert die Analyse von großenDaten, die den vollständigen Satz kleiner Moleküle in einem Organismus, einer Zelle oder einem Organ darstellen. Der Satz dieser Daten variiert nach verschiedenen Schätzungen von mehreren Tausend, wenn wir nur die Primärmetaboliten berücksichtigen, bis zu mehreren Zehntausend, wenn wir ihnen Sekundärmetaboliten bekannter Pflanzen, Bakterien und Pilze hinzufügen. In der Tat bis zu mehreren hundert Millionen, wenn wir die gesamte chemische Vielfalt berücksichtigen, die in den menschlichen Körper gelangen kann. Um sie zu untersuchen, sind spezielle Methoden erforderlich: Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und Massenspektrometrie.
In der 80-jährigen Geschichte der NMR haben Wissenschaftler, die an dieser Methode beteiligt sind, fünf Nobelpreise erhalten.Vier – für NMR und der fünfte – fürMagnetresonanztomographie. Eine Methode, die sich geringfügig von der NMR-Spektroskopie unterscheidet, aber im Prinzip sehr ähnlich ist. Die NMR-Methode basiert auf der Tatsache, dass einige Atome im Periodensystem ein magnetisches Moment ungleich Null haben. Sie sind kleine Magnete und können mit einem externen Magnetfeld interagieren. Diese Wechselwirkung äußert sich in der Aufspaltung der Energieniveaus. Die NMR-Methode ermöglicht die Unterscheidung zwischen verschiedenen Atomen und Atomen desselben Elements, jedoch in unterschiedlichen Umgebungen. In letzter Zeit hat die NMR vor allem aufgrund ihrer hohen Kosten an Popularität verloren.
Wie man aus einer komplexen Mischung geladene Teilchen herstellt und deren Zusammensetzung herausfindet
Massenspektrometrie ist eine Methode zur Trennung geladener Teilchen durch Wechselwirkung mit einem elektromagnetischen Feld.Wenn wir eine komplexe Mischung nehmen, bestehend ausVerschiedene geladene Teilchen, und fast jedes Molekül kann mit modernen Methoden der Massenspektrometrie in eine geladene Form umgewandelt werden, indem man ihm ein Proton hinzufügt oder ein Proton daraus entfernt und an diese Mischung ein elektromagnetisches Feld anlegt, dann beginnen die Teilchen in diesem Feld um sich zu bewegen, und sie werden je nach Masse entweder Geschwindigkeit oder eine Flugbahn haben. Leichte Teilchen erreichen den Detektor früher als schwere. Nach der Verarbeitung der Daten vom Detektor wird ein Massenspektrum erhalten, in dem entlang der Y-Achse eine Signalintensität vorhanden ist, die proportional zur Anzahl der Ionen ist, und entlang der X-Achse die Masse der Ionen bzw. das Verhältnis von Masse zu Ladung. Darüber hinaus ermöglicht die Massenspektrometrie die Messung von Massen mit sehr hoher Genauigkeit. Dies bedeutet, dass die elementare Zusammensetzung des Ions, der geladenen Teilchen oder des Moleküls, aus dem es gebildet wurde, eindeutig bestimmt werden kann. Mathematisch nennt man dies das Lösen der Diophantischen Gleichung in ganzen Zahlen: Tatsächlich handelt es sich hierbei um eine Auswahl von Koeffizienten in der Nähe jedes Atoms: m(C), m(H), k(O), z(N). Und nur eine Kombination der ganzen Zahlen m, n, k, z kann die vom Massenspektrometer gemessene Masse ergeben.
Die Methode der Massenspektrometrie wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts von Thompson vorgeschlagen.Wissenschaftler bauten das weltweit erste Massenspektrometer zusammen undMit seiner Hilfe machte er eine große Entdeckung: Er bestätigte experimentell die Existenz von Isotopen. Andererseits war er nicht in der Lage, eine korrekte Interpretation seiner Ergebnisse zu geben. Sein Schüler William Aston tat dies für ihn: 1922 erhielt er für diese Entdeckung den Nobelpreis. Im 20. Jahrhundert entwickelte sich die Massenspektrometrie aufgrund einer Reihe von Weltkriegen zu einer Methode für das Militär. Zu Beginn seiner Entwicklung fand es seine Hauptanwendung in der Nuklearindustrie. Da Massenspektrometrie Stoffe nach Masse trennen und Isotope bestimmen kann, kann sie zur Trennung von Isotopen wie Uran eingesetzt werden. Zwei weitere Nobelpreise wurden für Massenspektrometrie verliehen: 1989 – Wolfgang Paul und Hans Dehmelt, und dann im Jahr 2002 – eine echte Revolution wurde unabhängig von John Fenn und Kaishi Tanaka durchgeführt. Sie schlugen eine eigene Methode vor, die es ermöglicht, aus einem großen Polymermolekül ein geladenes Teilchen zu gewinnen: aus Proteinen oder aus Nukleinsäuren, ohne es zu zerstören. Dies gab der Studie den Anstoß. Nun kann kein einziges Labor – ob biochemisches oder molekularbiologisches Labor – ohne ein eigenes Massenspektrometer oder ohne ein gut ausgestattetes Shared-Use-Center am Institut arbeiten.
Nachdem wir die Masse eines Ions bestimmt haben, können wir nur die Elementzusammensetzung bestimmen, nicht aber die Struktur der Moleküle.Denn eine elementare Zusammensetzung unterschiedlicher Strukturen kann einer riesigen Zahl entsprechen. Das heißt, die Atome in einem Molekül können auf unterschiedliche Weise angeordnet sein. Dies wird als Phänomen der Isomerie bezeichnet.
Massenspektrometriker haben eine Methode entwickelt, mit der Sie ein wenig mehr Informationen über die Struktur eines Moleküls erhalten: Ein bestimmtes Hindernis befindet sich auf dem Weg zum Fliegen beschleunigter Moleküle.Normalerweise handelt es sich dabei um Gasmoleküle.Wenn die Moleküle mit diesen Gasmolekülen kollidieren, können sie durch die Kollision auseinanderbrechen. Und dann misst das Massenspektrometer nicht die Masse des ursprünglichen Moleküls, sondern der Teile, in die es zerfiel. Und dieser Zerfall erfolgt nicht zufällig, sondern entlang der schwächsten Bindungen im Molekül. Die resultierenden Fragmente sind identisch und stellen molekulare Fingerabdrücke dar: einzigartig für jedes Molekül.
Die Chromatographie ist eine Methode zur Trennung von Substanzen aufgrund ihrer Wechselwirkung mit Sorptionsmitteln.Sorptionsmittel können absorbierenandere Chemikalien, und die einfachste ist Aktivkohle, die wir bei Vergiftungen einnehmen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigte der russische Wissenschaftler Mikhail Tsvet, dass, wenn ein solcher natürlicher Farbstoff durch eine mit Kreide gefüllte Säule geleitet wird, anstelle eines großen grün verschmierten Flecks mehrere mehrfarbige Flecken entstehen: von gelb bis Grün. So erkannte er zunächst, dass der grüne Farbstoff aus den Blättern eine Mischung verschiedener Substanzen ist. Und zweitens entdeckte er die Chromatographie, für die 1952 andere Wissenschaftler, die seine Methode in eine moderne Form brachten, den Nobelpreis erhielten. Bei der modernen Chromatographie wird ein Gemisch je nach Art der Chromatographie mit einer Flüssigkeit oder einem Gas durch eine Säule geleitet. Die Flüssigkeit „zieht“ die Moleküle nach vorne zum Ausgang der Säule, und das Sorbens interferiert auf unterschiedliche Weise mit jedem Molekül. Sie verlassen die Kolonne zu unterschiedlichen Zeitpunkten, was aufgezeichnet und als weiterer Fingerabdruck zur Identifizierung verwendet werden kann.
Von der Untersuchung der Liquor cerebrospinalis bis zur Trockenblutmethode
Die Massenspektrometrie ist die einzige derzeit verfügbare Methode zur Untersuchung der Liquor cerebrospinalis.In einigen Fällen schwierig für die DiagnoseBei Erkrankungen ist eine Punktion erforderlich, die Wirbelsäule wird durchstochen und eine Probe der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit entnommen. Das Problem ist jedoch, dass ein Mensch im Durchschnitt nur 120 ml Liquor hat. Und diese Flüssigkeit steht unter Druck, sodass die Einnahme von nur 1 ml diesen Druck erheblich beeinflusst und zu irreversiblen Folgen für den Körper führen kann. Daher können in der Realität nur wenige Mikroliter entnommen werden. Keine der vorhandenen Methoden außer der Massenspektrometrie kann mit so kleinen Probenmengen umgehen, denn je kleiner die Probe, desto weniger Moleküle enthält sie und desto empfindlicher muss Ihre Ausrüstung sein. Hierfür reicht in der Regel die Empfindlichkeit der Massenspektrometrie aus. Nach der Entnahme wird die Probe von mechanischen Einschlüssen und Proteinen befreit, um Geräteausfälle zu vermeiden. Nach der Analyse wird das Ergebnis mit einem Computer verarbeitet und eine „Liste der Merkmale“ erhalten: Die Ausgabe umfasst etwa 10–15.000 Zeilen. Die Spalten ergeben eine Formel, die wir mit einer exakten Masse, einer Intensität, die proportional zur Menge dieses Moleküls ist, und einem „Fingerabdruck“ definieren.
Die direkteste Methode, dies anzuwendenMetabolomics-Massenspektrometrie-Experiment – Vergleich kranker und gesunder Menschen, um herauszufinden, welche Moleküle auftreten, erscheinen und ihre Konzentration ändern, wenn ein solcher Unterschied auftritt.Normalerweise gibt es zwei Gruppen:gesunde Menschen und Menschen mit einer für uns interessanten Krankheit, zum Beispiel mit einer bestimmten Form der Onkologie. Für jede Probe werden solche Platten erstellt, die dann von Mathematikern verglichen und visualisiert werden, um Unterschiede zwischen ihnen festzustellen.
Die erste Anwendung der Massenspektrometrie ist das Neugeborenen-Screening.Jedes Neugeborene, im Auftrag des Gesundheitsministeriums mitSeit 2006 sind sie verpflichtet, sich auf bestimmte Erbkrankheiten testen zu lassen. Mittlerweile werden in Moskau jedenfalls Tests auf mindestens 16 verschiedene Krankheiten durchgeführt. Es gibt solche Krankheiten, und sie manifestieren sich oft schon in den ersten Lebensminuten, die, wenn sie nicht rechtzeitig gestoppt werden, innerhalb einer Woche oder ein paar Tagen zu einer lebenslangen Behinderung des Kindes führen können. Daher muss eine solche Diagnostik innerhalb der ersten Lebensstunden eines Neugeborenen erfolgen. Die Biomarker fast aller dieser Krankheiten sind niedermolekulare Metaboliten. Das heißt, Krankheiten äußern sich in Stoffwechselstörungen, beispielsweise in der Anreicherung bestimmter organischer Säuren im Blut oder bestimmter Lipide. Und natürlich erfolgt diese Anreicherung in sehr geringen Konzentrationen; aus ihnen ist es notwendig, den Unterschied in den Veränderungen im Stoffwechsel zu erkennen. Daher wird hier außer der Massenspektrometrie keine andere Methode funktionieren.
Um das Problem der Blutentnahme bei Kindern zu lösen (keine so große Blutmenge und die Angst der Kinder vor invasiven Methoden und Ärzten), entwickelten sie eine Technologie zur Analyse getrockneter Blutflecken.Es wird ein kleiner Einstich gemacht und einer oder mehrereGeben Sie zwei Tropfen Blut direkt auf ein kleines Stück Filterpapier. Das Blutvolumen beträgt hier mehrere Mikroliter. Anschließend wird diese Karte getrocknet und an das Labor geschickt, wobei der Versand zudem sehr komfortabel ist: Die Probe muss nicht eingefroren oder aufgetaut werden. Lösen Sie diese Karte zur Analyse einfach wieder auf und innerhalb weniger Stunden ist die Analyse fertig.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Massenspektrometrie ist die personalisierte Medizin.Alle unsere Substanzen gelangen in die Leber, und zwar in die Leberverstoffwechselt sie irgendwie. Darüber hinaus funktioniert unsere Leber bei jedem von uns anders, nicht nur aufgrund einiger Krankheiten oder schlechter Gewohnheiten. Beispielsweise kann Grapefruitsaft Ihren Stoffwechsel erheblich beeinflussen; er hemmt einige Enzyme und dadurch kann die Konzentration einiger Medikamente um ein Vielfaches höher sein als erwartet. Bei manchen Menschen ist diese Konzentration nach der Einnahme des Arzneimittels im Blut, bei anderen ist die Konzentration doppelt so hoch. Es stellt sich heraus, dass die Dosierung halbiert werden muss, um dem Körper keinen unnötigen Schaden zuzufügen. Daher der Übergang zur personalisierten Medizin. Du nimmst eine Pille, dir wird jede Stunde Blut abgenommen und sie schauen sich die Kurve an: Wie wandert die Substanz im Laufe der Zeit durch deinen Körper, wie hoch ist ihre Konzentration im Blut? Dann kann der Arzt die Dosierung anpassen oder sogar das Medikament für Sie absetzen und ein anderes verschreiben. Und auch in diesem Fall wird die Trockenblutanalyse sehr aktiv eingesetzt.
Jedes neue Medikament, das auf den Markt kommt, durchläuft zwangsläufig eine Stoffwechselforschungsphase.Einige Medikamente sind möglicherweise nicht sehr giftig.Durch den Abbau in der Leber und einige Fehler können diese Substanzen jedoch noch giftiger werden. Das einfachste Beispiel ist Paracetamol. In den Anweisungen für Paracetamol heißt es, dass es nicht an kleine Kinder verabreicht werden sollte. Dass kleine Kinder nur Ibuprofen erhalten sollten. Und der Grund dafür ist die Anreicherung dieses Moleküls in der Leber, das durch den Stoffwechsel toxisch wirkt. Für einen Erwachsenen mit einer gut entwickelten Leber ist diese toxische Wirkung nicht sehr spürbar, obwohl man Paracetamol natürlich auch nicht in Gläsern schlucken sollte. Für kleine Kinder kann dies tatsächlich zu allen möglichen unangenehmen und sogar irreversiblen Folgen führen. Daher muss jedes neue Medikament auf seinen Stoffwechsel untersucht werden.
Bildgebung ist eine Art des DirigierensMassenspektrometrische Analyse, wenn wir nicht nur Informationen über eine homogene, sondern auch über eine heterogene Probe erhalten und deren molekulare Zusammensetzung im Raum untersuchen können.Es gibt so ein interessantes Beispiel für das StudiumVerteilung des Arzneimittels und seiner Metaboliten im Körper der Ratte. Das Experiment wird wie folgt durchgeführt: Einer Ratte wird ein bestimmtes Arzneimittel verabreicht, nach einigen Stunden wird das Tier eingeschläfert und dann wird das Tier entlang des gesamten Körpers fein geschnitten. Und dann können Sie mit einer speziellen Technik der Massenspektrometrie die molekulare Zusammensetzung jedes Punktes in dieser Probe untersuchen. Nach der Computerverarbeitung kann visualisiert werden, wo sich welche Metaboliten angesammelt haben. Es ist wichtig, die Verteilung der Metaboliten zu untersuchen, denn wenn Sie ein Lungenentzündungsmedikament einnehmen, ist es wichtig, dass es in der Lunge und nicht im Gehirn landet. Ein massenspektrometrisches Skalpell ist ein "Messer", das Moleküle aus der Inzisionsstelle pumpt. Mithilfe der Computertechnologie kann dann bestimmt werden, welcher Chirurg das Gewebe schneidet: krank oder gesund. Diese Methode wird derzeit in den USA implementiert, und die erste echte Operation mit einem solchen Messer wurde bereits durchgeführt.
Fingerabdrücke für jedes Molekül
Das Problem ist, dass mehrere Hundert oder sogar Tausende chemischer Verbindungen einer Elementzusammensetzung entsprechen können.Daher ist es notwendig, alle Zeilen zu identifizierenTabellen, und dies ist die Hauptaufgabe der modernen metabolomischen Analyse; leider ist sie noch nicht vollständig gelöst. Die molekularen Fingerabdrücke werden mit denen in Datenbanken chemischer Moleküle verglichen. Wenn sie übereinstimmen, können wir mit einiger Sicherheit sagen, dass es sich um das richtige Molekül handelt. Allerdings enthalten solche Datenbanken nur eine sehr begrenzte Anzahl an Stoffen. Die vollständige Fingerabdruckdatenbank enthält etwa 20–30.000 Verbindungen; sie deckt nicht einmal alle primären und sekundären Metaboliten ab, die im menschlichen Körper vorhanden sind. Es gibt noch ein weiteres Problem: Um diese Datenbank wieder aufzufüllen, braucht man eine reine chemische Substanz, und die ist meist teuer. Das heißt, eine reine Chemikalie kostet normalerweise mehrere zehn oder hundert Dollar.
Ein Ansatz zur Identifizierung besteht darin, neue Fingerabdrücke zu erstellen.Beispielsweise wird die Methode derzeit aktiv weiterentwickeltIonenmobilitätsspektrometrie. Während die Massenspektrometrie Ionen nach Masse unterteilt, ermöglicht die Ionenmobilität eine Trennung nach Größe. Das heißt, wenn Sie zwei Läufer haben – keinen schweren und einen leichten, sondern einen großen und einen kleinen – und ihnen ein Hindernis in den Weg stellen – zum Beispiel ein Netz mit Zellen, dann wird es ein schlanker Athlet sein Kriechen Sie schnell durch dieses Netz und erreichen Sie die Ziellinie, aber ein dicker Mensch wird es tun. Bis er aus diesem Netz herauskommt, wird er nach einiger Zeit angerannt kommen.
Die zweite Methode besteht darin, zu versuchen, Fingerabdrücke zu finden, für deren Identifizierung keine sauberen Standards erforderlich sind.Im Labor schlagen wir vor, den sogenannten Isotopenaustausch zu nutzen.
Wenn wir zum Beispiel ein solches Molekül betrachten, dannwir werden sehen, dass es Wasserstoffatome hat, die mit Sauerstoff assoziiert sind. Sie sind also etwas Besonderes. Sie können dieses Molekül verlassen und zu ihm zurückkehren. Wenn wir dieses Molekül in Wasser gelöst haben, kann Wasserstoff das Molekül verlassen und Wasserstoff kann aus Wasser zurückkehren. Und wenn wir nicht nur Wasser, sondern auch schweres Wasser nehmen, wo anstelle von Wasserstoff Deuterium vorhanden ist, kann Wasserstoff das Molekül verlassen und Deuterium kann seinen Platz einnehmen. Es ist bekannt, dass sich Deuterium im Molekulargewicht pro Einheit von Wasserstoff unterscheidet, und ein Massenspektrometer kann eine solche Verschiebung erkennen. Wenn man einfach die Anzahl solcher Wasserstoffatome zählt, kann man sagen, ob dies ein notwendiges oder unnötiges Molekül ist, ob wir es richtig identifiziert haben oder nicht.
Künstliche Intelligenz kann verwendet werden, um Moleküle zu identifizieren.Basierend auf den verfügbaren Informationen können Sie den Vorgang abschließenDatenbanken mit fehlenden Informationen mithilfe von Deep-Learning-Methoden. Das heißt, wir trainieren das Modell und es sagt anhand der Struktur des Moleküls die notwendigen Fingerabdrücke voraus, die wir dann zum Vergleich mit den Ergebnissen des Experiments verwenden können.
Siehe auch:
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