ABB Review_3_2006.indd

Изобретательство и медицина
Изумительно –
Шерлок Холмс от
гастроэнторологии
Анализатор дыхания, который ловит бактерии с поличным
Вальтер Фабински, Томас Вейраух
В декабре 2005 года Барри Маршалл и Робин
Уоррен получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие бактерии Helicobacter pylori и ее значения в развитии гастрита
и язвы желудка. Это открытие повлекло массу
изменений в терапии болезней желудка, но диагностика оставалась прежней и требовала малоприятных процедур гастроскопии или применения
дорогих масс-спектрометров. Простое, экономичное
решение этой проблемы разработала компания Hartmann and Braun, входящая сейчас в состав АББ. Созданный ею прибор, основанный на инфракрасном спектральном анализе, теперь применяется во всем мире.
АББ Ревю 3/2006
25
Изумительно – Шерлок Холмс от гастроэнторологии
Изобретательство и медицина
М
аршалл и Уоррен открыли, что H. pylori
поселяется на стенках желудка и провоцирует такие широко распространенные болезни,
как гастрит, язва и, в случае хронической инфекции, рак. Бактерией H. pylori заражена приблизительно половина населения Земли, т. е. это одна
из самых массовых бактериальных инфекций.
Только в Германии ею охвачено более 30 миллионов человек, и у 5-10 процентов разовьется
гастрит или язва двенадцатиперстной кишки.
До открытия Маршалла и Уоррена считалось,
что никакое живое существо, включая бактерий,
не способно выжить в сильнокислотной желудочной среде. Пациентам, страдающим язвенной болезнью, советовали изменить образ жизни – избегать курения, стрессов и алкоголя – и давали антигистаминные препараты. Однако такое лечение
приносило лишь кратковременное облегчение
и ни коим образом не решало проблемы. Значение открытия Маршалла и Уоррена невозможно
недооценивать. Оно перевернуло устоявшийся
в мировой медицине стереотип и привело к смене парадигмы. Оно инициировало разносторонние исследования, направленные на разработку
новых способов диагностики и лечения.
Принципиальная основа диагностики
Ранние исследования фокусировались на физиологии данной бактерии и ее патогенности.
H. pylori (рис. 1) – это палочковидная бактерия,
которая с помощью жгутика закрепляется в слизистой оболочке желудка. Здесь она питается
и размножается, а ее токсичные выделения еще
больше разрушают защитную оболочку. Из-за
повреждения слизистой кислота желудочного
сока разъедает стенку желудка, что приводит
к воспалению и более тяжелым последствиям.
Установлено, что практически все случаи язвы
двенадцатиперстной кишки и приблизительно
80 % случаев язвы желудка вызваны H. pylori.
Хроническое воспаление может в конечном итоге
повлечь за собой рак. Исследования показали,
что данная бактерия способна превращать мочевину, которая является для нее питательным веществом, в CO2 и аммиак. Аммиак образует вокруг
бактерии защитный щелочной слой, нейтрализуя
кислоту желудочного сока и позволяя выжить
в агрессивной среде. Произведенный бактерией
CO2 поступает в желудок и затем в выдыхаемый
воздух. Именно данный механизм и выдает наличие этих бактерий.
мочевины, меченной изотопом 13C. У тех из них,
кто заражен H. pylori, изменится отношение
13CO к 12CO в выдыхаемом воздухе, поскольку
2
2
бактерии превращают 13C-мочевину в 13CO2.
Для измерения соотношения этих двух изотопов
в выдохе можно использовать масс-спектрометры, но их приобретение, эксплуатация и обслуживание весьма дороги. Медикам требовался
простой, надежный, рентабельный и при этом
высокочувствительный прибор клинической
диагностики. Так обстояли дела в начале 1990-х,
когда решением этой задачи занялась компания
Hartmann & Braun, выпускающая аналитическое
оборудование (с 1998 года она входит в АББ).
Разработка принципа диагностики
В качестве отправного пункта был принят бездисперсионный инфракрасный анализатор Uras,
хорошо зарекомендовавший себя в качестве
прибора технологического контроля. Требовалось модифицировать измерительную систему
Uras так, чтобы с высоким разрешением определять соотношение 13CO2 и 12CO2 в выдохе, в том
числе и на фоне приема лекарств. 13CO2 и 12CO2
имеют много общих свойств, но существенно
отличаются по атомным массам. Это различие
легко обнаруживается средствами инфракрасного спектрального анализа, как показано
на рисунке 2.
1
Исследования показали,
что данная бактерия способна превращать мочевину, которая является
для нее питательным веществом, в CO2 и аммиак.
Аммиак образует вокруг
бактерии защитный щелочной слой, нейтрализуя
кислоту желудочного сока
и позволяя выжить в агрессивной среде.
Поскольку реализованный в приборе Uras принцип измерения не требует средств разделения
частот, таких как дифракционные решетки
или фильтры (избирательное поглощение происходит непосредственно в газах), сравнение
производится по всему естественному спектру
поглощения (см. вставку).
Первые лабораторные испытания обнадеживали, и компания Hartmann & Braun совместно
с Дюссельдорфским университетом (Институт
Helicobacter pylori, фотография сделана сканирующим электронным микроскопом.
Углерод существует в природе в виде нескольких
изотопов, таких как 12C, 13C и 14C. Большая часть
углерода (почти 99 процентов) представлена изотопом 12C, доля 13C составляет около 1 процента,
а остальные изотопы встречаются в очень малых
количествах. В отличие от радиоактивного 14C,
12C и 13C стабильны и совершенно безопасны
для человека. Это значит, что пациентам, страдающим гастритом, можно дать выпить раствор
26
АББ Ревю 3/2006
Изумительно – Шерлок Холмс от гастроэнторологии
Изобретательство и медицина
лазерной медицины) разработала
5 процентов зараженных H. pylori
2 Колебательно-вращательные полосы 12CO2 и 13CO2 в центральной части
инфракрасный анализатор, адаписпытывают серьезное вредное возинфракрасного спектра.
тированный для клинического
действие.
применения. Позднее к работе были
450
12
13
CO 2
CO 2
привлечены некоторые специализи400
рованные производители и распро350
странители медицинского оборудо300
вания, оснастившие комплектные
250
модули производства ABB Analytical
200
дополнительными приспособле150
ниями. В результате было создано
устройство, позволяющее выполнить
100
дыхательный тест в два этапа. Паци50
ент просто выдыхает воздух в первый
0
мешок («нулевой» дыхательный тест)
2200 2220 2240 2260 2280 2300 2320 2340 2360 2380 2400
и затем принимает мочевину, меченЧастота, см-1
ную изотопом 13C. Через 20 минут
пациент выдыхает воздух во второй
мешок. После этого измеряется и сравнивается
с применением многоразовых мешков, снижает
соотношение изотопов углерода в обеих простоимость теста.
бах. Значительная разница этого соотношения
Если результаты анализа указывают на заражение,
в пробах указывает на присутствие Helicobacter.
Зараженным пациентам обычно рекомендуется 7лечение сопровождается регулярными дыхательдневный курс так называемой «тройной терапии»,
ными тестами, которые позволяют контролирозаключающейся в приеме двух антибиотиков
вать эффективность терапии. На рисунке 3 приведены результаты для пациентов, зараженных
и ингибитора кислоты.
и не зараженных H. pylori.
Конструкция и применение
Данный прибор под названием Fancy или Iris
Итоговый прибор для клинического применения
После разработки этого прибора были проведены
продается в промышленно развитых странах
был разработан нашими торговыми партнерами.
обширные клинические испытания и получена
с середины 90-х годов, а сейчас распространился
соответствующая лицензия. Тем временем было
по всему миру. В Германии и многих других евроНо его сердцевиной является анализатор Uras
установлено, что распространение H. pylori
компании АББ. Этот анализатор встроен в непейских странах стоимость дыхательных тестов
большой комплектный модуль, который в свою
в разных регионах мира варьирует. В странах
включена в медицинскую страховку.
очередь встраивается в аппарат, пригодный
центральной и северной Европы доля зараженДополнительные применения
для использования в клинике. Требуемая чувсных составляет приблизительно 30 процентов,
твительность обеспечена оптимизацией самого
а в Африке и Азии эта доля может превышать 90
Столь удобный дыхательный тест, позволяющий
процесса измерения и системы в целом. В резульпроцентов. Кроме того, исследования показали,
обнаружить H. pylori, заставляет задуматься
тате для анализа требуется очень небольшое коо том, как использовать его для других анализов.
что заражение не обязательно ведет к болезни.
Такие разработки ведутся во многих направлеличество субстрата (всего 75 мг 13C), что, наряду
Согласно имеющимся оценкам, только около
Поглощение
Поскольку реализованный в приборе
Uras принцип измерения не требует
средств разделения частот, таких
как дифракционные
решетки или фильтры (избирательное
поглощение происходит непосредственно
в газах), сравнение производится по всему естественному спектру поглощения.
Принцип действия анализатора Uras
Принцип работы анализатора Uras основан
на способности молекул газа специфически
поглощать инфракрасное (ИК) излучение. Это
значит, что поглощение энергии светового луча
происходит на определенных частотах и зависит от состава газа, концентраций компонентов
и длины измерительной ячейки. В большинстве
инфракрасных газовых анализаторов для обнаружения данного эффекта применяется фотодетектор. Анализатор Uras устроен иначе.
Он оборудован наполненными газом так называемыми «оптико-акустическими» детекторами,
в которых содержится определяемый газ. Поглощая энергию излучения, газ изменяет свою температуру и, соответственно, давление. Амплитуда
АББ Ревю 3 /2006
колебаний давления достаточно велика, порядка
нескольких нанобар, чтобы снимать электрический сигнал с мембранного конденсатора.
Сравнение пробы и эталонного газа позволяет
с высокой чувствительностью определять такие
компоненты как CO, CO2, SO2, NO, CH4, N2O
и другие.
Последовательные детекторы анализатора
Uras26 способны надежно измерять концентрации до четырех компонентов. Предел обнаружения зависит от длины измерительной ячейки,
установленной перед детекторами, и составляет
от нескольких миллиардных объемных долей
(ppbv, <10–5 объемных процентов) до 100 объемных процентов.
Uras26 оснащен калибровочными ячейками, которые автоматически устанавливаются на пути
луча [1]. Это дает возможность снимать опорный
сигнал и обеспечивает долговременную стабильность. Наличие встроенных калибровочных
ячеек значительно снижает стоимость технического обслуживания, поскольку устраняет необходимость в дорогих баллонах с калибровочным
газом.
Периодическая модуляция источника ИК
излучения диском-прерывателем и частотноизбирательное и фазоизбирательное усиление
обеспечивает стабильность измерений. Такой
тип обработки сигнала называется «синхронизированным» усилением [2].
27
Изумительно – Шерлок Холмс от гастроэнторологии
Изобретательство и медицина
АББ участвует
в клинических
испытаниях новых применений
данного метода.
В настоящее время
проверяется применимость этой
технологии в отделениях интенсивной
терапии.
Пример тестирования неинфицированного пациента и пациента, инфицированного Helicobacter pylori. Пробы взяты через час после приема
мочевины, меченной 13C.
3
Увеличение соотношения
12CO / 13CO , ‰
2
2
30
Инфицированный пациент
25
20
15
10
5
Неинфицированный пациент
0
0
15
30
45
60
Время, минуты
4
Пример печеночного теста.
Метацетиновый тест
50
40
30
20
10
0
-10
40
90
140
Время, минуты
5 13C-инфракрасный анализатор HeliFANplus.
При этой процедуре пациенту
дается метацетин, меченый 13C. Верхняя кривая показывает динамику
13CO /12CO у здоровых испытуемых.
2
2
На нижней показана динамика этого
показателя в случае тяжелого цирроза печени.
Этот прибор также широко применяется в ветеринарии, в изучении проблем кормления животных, в биохимических исследованиях.
Перспективы
Описанная здесь изотопная технология имеет
огромный потенциал применения в медицинской
диагностике. Частично это связано с эффективностью анализатора Uras. Благодаря бездисперсионной методике он компактен, обеспечивает
требуемое разрешение и чувствительность
28
ка Шарите в Берлине. Работа ведется
под названием «Функциональный тест
для нескольких органов».
Так что если Вы жалуетесь на боль
в желудке и хотите избежать гастроскопии, попросите своего врача назначить дыхательный тест!
Диагностика заражения Helicobacter pylori
Увеличение соотношения
12CO / 13CO , ‰
2
2
ниях, в том числе для печеночного
функционального теста, для оценки
аминокислотного метаболизма,
для выявления нарушений всасывания жира. Эти тесты основаны
на применении помеченных
изотопом 13C субстратов, которые
метаболизируются только исследуемым органом. В программное
обеспечение анализатора вносятся
соответствующие коррективы. Согласно действующим правилам новые методики должны пройти еще
процедуры клинических испытаний
и получения лицензии. Хотя гастрология является главной областью
применения данного прибора, сейчас разработано уже более 20 тестов
для диагностики иных расстройств,
которые основаны на точном и высокочувствительном анализе состава
выдыхаемого воздуха посредством
системы Uras. На рисунке 4 представлен пример печеночного теста.
Вальтер Фабински
ABB Automation GmbH
Франкфурт, Германия
и при этом надежно работает в клинических
условиях. Поскольку метод основан на соотношении двух стабильных изотопов, исчезает потребность в радиоактивных метках. АББ участвует
в клинических испытаниях новых применений
данного метода. В настоящее время проверяется,
насколько эта технология пригодна для отделений интенсивной терапии. Наши партнеры в Германии – Мюнстерский педагогический институт,
торговые компании – FAN GmbH для прибора
HeliFANplus и WAT GmbH для прибора IRIS – университетские клиники в Ульме и Гессене и клини-
Томас Вейраух
ABB Automation GmbH
Франкфурт, Германия
thomas. weyrauch@de. abb. com
Литература
[1] ABB: Mit langem Atem im Messmarathon. ABB Connect 3
(2002), 1, 13.
[2] J. H. Scofield: A frequency-domain description of a LockIn-Amplifier. American Journal of – Physics 62 (1994), 2,
129–133.
АББ Ревю 3/2006