Левшанков А.И .

1. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ: развитие и возможности использования в оценке состояния пациента Левшанков А.И. 16.09.2011

2. История масс-спектрометрии началась с открытия электрона английским физиком Джозефом Джоном Томсоном (1897 г., Кембриджский университет, 1906 г. – нобелевская премия по физике) Он обратил внимание на то, что ионы, генерируемые в остаточном газе на катоде рентгеновской трубки, будучи помещены в электромагнитное поле, движутся по различным траекториям, пропорциональным соотношениям их массы к заряду.

3. Масс-спектрометрия (МС) – аналитический метод определения химической структуры образца или молекул путем их ионизаций с образованием заряженных молекул или их фрагментов с последующим измерением отношения их массы к заряду (m/e) МС обладает несравнимой ни с чем специфичностью и точностью, может определить структурные компоненты в 10-15,10-18, 10-21 Во многих случаях МС – единственный метод прецизионного контроля состава вещества в любых состояниях: газообразном, твердом или жидком

4. Дозатор проб Ионизатор проб Анализатор масс Детектор ионов Принципиальная схема устройства МС В зависимости от агрегатного состояния органического вещества способы ионизации разные

5. В мире несколько десятков крупных фирм выпустили в 1999 г. >34 000, а в 2005 г. – >200 000 м-с. для решения различных задач (в биологии, медицине, экологии, химии, биохимии и биотехнологии, промышленности и т.д. ) На масс-спектрометры приходится 42% рынка приборов для молекулярного анализа. Мильман, Б.Л., Конопелько Л.А. Современная масс-спектрометрия: пропорции развития / Масс-спектрометрия, 2006. – 3(4). – с. 271 – 276.

6. Масс-спектрометрические исследования в биологии и медицине в 2005 г. по объёму публикаций уступали лишь аналитической химии Исследование биологических образцов: 46% – кровь, плазма, моча, ткани, клетки, бактерии … 19% – объекты окружающей среды; 16% – продовольственное сырье, пища, напитки; 19% – другие. Исследуемые группы соединений: 19,5% – экзогенные вещества: лекарства, метаболиты, допинг; 15,5% – белки, пептиды, их комплексы; 14,2% – металлы, элементы, изотопы; по 11% – летучие органические соединення и пестициды (по 11%) 28,8% – прочее.. Мильман, Б.Л., Конопелько Л.А. Современная масс-спектрометрия: пропорции развития / Масс-спектрометрия, 2006. – 3(4). – с. 271 – 276.

7. Новые научные направления 1. Протеомика– наука о белках (протеинах) клеток, тканей, живых организмов, тесно связанная с исследованиями генома и с генной инженерией. МС в онкопротеомике: поиск дефектов в структуре белков атипичных клеток Шевченко, В. Е. и соавт. Профилирование низкомолекулярного протеома плазмы крови для обнаружения потенциальных маркеров рака легкого / Масс-спектрометрия, 2007. – Том 4. – №4. – с. 245-254. Российский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина РАМН,

8. 23.01.2007 г. по программе «Метаболом человека»университета Альберта (Канада), возглавляемая Дэвидом Уишартом, завершена первая версия базы данных о метаболоме человека, содержащая информацию о примерно 2500 метаболитах, 1200 лекарствах и 3500 веществ пищи. Wishart, D.S. et al. HMDB: the Human Metabolome Database» / Nucleic Acids Research. – 2007. – 35 (Database issue): D521–6. DOI:10.1093/nar/gkl923. PMID 17202168.

9. В 2008 г. с помощью МС составлена карта белков слюны: определили 1116 уникальных белков, около 20 процентов из них обнаружены также в крови. Таким образом, новая система неинвазивной диагностики заболеваний, основанная на анализе слюны, может стать альтернативной традиционным тестам. Исследователи составили карту всех белков слюны / http://lenta.ru/news/2008/03/25/saliva/ ; http://www.sunhome.ru/journal/110039

10. Применение МС в гастроэнтерологии для диагностики инфицирования человека Helicobacter pylori. В 1998 году высокоточный уреазный дыхательный тест признан "золотым стандартом" в диагностике Helicobacter Pylori и Международная ассоциация гастроэнтерологов рекомендовала широко внедрять его в практику. Уреазный тест основан на способности Helicobacter pylori синтезировать данный фермент. Используется изотопный анализ двух проб газа до и после приема мочевины на м-с. Medical Applications of Mass Spectrometry / Ed. by K. Vekey, A. Telekes, A. Vertes // Elsevier Science – First edition, 2008. – 581 p.

11. Компанией ThermoFinniganMATразработан прибор BreathMATPlus, который уже применяют во многих клиниках как для диагностики Helicobacterpylori, так и для других исследований: углеводородного и аминокислотного метаболизма, жировой мальабсорбции, лактационной активности, окисления жирных кислот, энзимной функции печени, энергопотребления организма, эвакуационной способности кишечника. Прибор в автоматическом режиме обрабатывает 200 проб, на анализ одной пробы уходит всего 3 минуты. По результатам анализа и с учетом клиники заболевания врач назначает пациенту антихеликобактериальную терапию

12. В 2009 г. на стендовой сессии 4-го съезда ВМСО продемонстрировано применение изотопной масс-спектрометрии для изучения влияния окружающей среды на степень инфицированности Helicobacter pylori (А.М. Зякун). Представлен новый отечественный изотопный масс-спектрометр МИ-150М Xelocomass для анализа этих бактерий.

13. МС в диагностике других заболеваний • ряда наследственных; • вирусов герпеса, Эпштейн-Барра, гепатита В и С, • а также ВИЧ [1]; • легочных: астма и пневмофиброз, ассоциированных с • Pseudomonas aeruginosa [2]. 1. Medical Applications of Mass Spectrometry / Ed. by K. Vekey, A. Telekes,A. Vertes // Elsevier Science – First edition, 2008. – 581 p. 2. Spanel, P., Smith D. Selected ion flow tube mass spectrometry for on-line trace gas anaiysis in biology and medicine / European Journal Mass Spectrometry, 2007. – 13. – Р. 77 – 82

14. 2. ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ЛЕКАРСТВ (TDM) Принятый в анестезиологии расчет медикаментов в мг/кг не обеспечивает одинаковую плазменную концентрацию у двух пациентов с одинаковой массой тела. Концепция TDM заключается в том, что индивидуальные различия не ограничиваются половой принадлежностью и массой тела, а желаемый индивидуально обоснованный TDM, соответствующие плазменные концентрации, может обеспечить МС (тандемная или с жидкостной хроматографией)]. Medical Applications of Mass Spectrometry / Ed. by K. Vekey,A. Telekes, A. Vertes // Elsevier Science – First edition, 2008. – 581 p.

15. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ В СССР создавалось и развивалось с 40-х годов ХХ века, стимулируемое работами по «атомному проекту», и СССР длительное время был мировым лидером в разработках м-с. Были созданы м-с для изотопного анализа (МС-1, МВ2302, МИ1306, МИ3301, МИ9302), а с 70-х годов в СКБ АП АН СССР – для молекулярного анализа МХ1310. Он получил золотую медаль на Международной приборостроительной выставке в Париже в 1968 г.. В 1977 г. создан Институт аналитического приборостроения АН СССР, а в 1982 г. – новый метод МС анализа нелетучих биополимеров – метод экстракции ионов из растворов при атмосферном давлении (ЭРИ АД), повторенный на Западе под именем электроспрей».

16. ВСЕСОЮЗНЫЕ КОНФЕРЕНЦИИ ПО МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ: 1969 – I 1974 – II 1981 – III 1986 – 1V 16. Левшанков А.И. с соавт. Масс-спектрометры для методико-биологических исследований и перспективы их развития. – 2 Всесоюз. конф. по масс-спектрометрии, Л., 1974г.

17. Однако за время «перестройки» в России более 10 лет разработка масс-спектрометров не велась, был выпущен всего один серийный масс-спектрометр МСД-650 (ЭЗНП РАН, п. Черноголовка Моск. обл.). Лишь в 1999 г. Минатом РФ принял решение о разработке целевой отраслевой программы «Разработка специализированного масс-спектрометрического оборудования … и создание импортозамещающего производства м-с в РФ».

18. НОВЫЙ ЭТАП В РАЗВИТИИ РОССИЙСКОЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ 2003 (13-17.10) – Учредительный съезд ВМСО (vmso.ru)* 2004 – Издание журнала «Масс-спектрометрия» 2005, 2007, 2009, 2011 гг. – II, III, IV, V съезды и I, II, III, IV конференции ВМСО * - Журнал «Атомная стратегия» № 9, январь 2004 г. http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=185

19. В Итогах I съезда ВМСО в 2003 г. отмечено: «Несмотря на то, что изотопная масс-спектрометрия занимает одно из главных мест в медицинской диагностической практике по выявлению нарушений в организме человека, в России таких исследований пока крайне мало». Инициатор создания ВМСО А.Т.Лебедев: «Большинство российских ученых: …, специально не изучающих масс-спектрометрическую литературу, не представляют всех современных возможностей метода. Сейчас масс-спектрометрия способна решать задачи практически любой естественной науки».

20. В 2009 г. на IV съезде ВМСО «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» III Всерос. Конф. с межд. участием [в рамках съезда] из 13 докладов секции «Масс-спектрометрия в медицине и биологии», лишь два касались прикладного значения: • В.Е. Шевченко и соавт. – МС поиск маркеров рака легкого; • А.М.Зякун – применение изотопной МС для изучения • влияния окружающей среды на степень нфицированности • Helicobacter pylori, представлен новый отеч. изотопный • м-с МИ-150М Xelocomass для анализа этих бактерий Итоги 4-го съезда ВМСО / http://www.vmso.ru/ru/info/itogiivsezda/

21. Использование масс-спектрометрии в анестезиологии и реаниматологии

22. В 60-80-х годах ХХ века наша страна занимала лидирующее положение по разработке и использованию МС в анестезиологии и реаниматологии. Наши исследования в этой области медицины начались с 1965 г. • Применение макета радиочастотного масс-спектрометра для оценки функции внешнего дыхания в ближайшем послеоперационном периоде. Материалы науч. конф. Воен.-мед. акад. по анестезиологии и реаниматологии, 1966 • Левшанков, А.И. Масс-спектрометрический метод оценки функции внешнего дыхания / Дисс. … к. м. н. – Л.: ВМА. – 1967. – 155 с.

23. Основная цель нашего исследования – • разработка отечественных медицинских масс- • спектрометров и определение возможности их • использования в анестезиологии и реаниматологии, • прежде всего, в комплексной оценке состояния пациента • при критических состояниях (1965-1991 гг.) • и адекватности анестезии при хирургических операций • (2009-2011 гг.).

24. ИТОГИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1965 -1991 гг. ВМедА (кафедра анестезиологии и реаниматологии) ИСКБ АП АН СССР (Слуцкий М.Е., Пушкина М.А.)

25. Первые отечественные серийные медицинские радиочастотные масс-спектрометры

26. Подсоединение масс-спектрометра к пациенту при спонтанном дыхании

27. + 6 НОВЫХ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ Устройство для исследования дыхания А.с. СССР № 824996,1979г. Б.И., 1981г., № 16 Устройство для определения конц. газов при дыхании А.с. № 895407, Б.И., 1982г., № 1 Устройство для синхронного определения концентрации и объемной скорости или объема дыхательных газов и их регистрация. А.с. № 904660, Б.И., 1982г., № 6 Устройства для забора и определения газообмена через различные участки кожи А.с. № 97121255, Б.И., 1982г., № 41 А.с. № 824999, Б.И., 1981г., № 16 Мед. техника, 1987, 4, 13-16 Устройство для определения содержания газов в крови А.с. № 1082393 , Б.И., 1984г., № 12 Мед. техника, 1987, 4, 13-15 Масс-спектрометрическое определение содержания газов в крови

28. РЕЗУЛЬТАТЫ масс-спектрометрических исследований представлены: Левшанков, А.И. Масс-спектрометрический метод оценкифункции внешнего дыхания / Дисс. … к. м. н. – Л.: ВМА. – 1967. – 155 с. • Левшанков, А.И. Экспресс-диагностика нарушений газообмена и контроль его в процессе интенсивной терапии / А.И. Дисс. … д.м.н. – Л.: ВМА. – 1982. – 569 с. • и более 70 печатных статьях и НИР

29. Некоторые преимущества масс-спектрометрии и наиболее информативные показатели для оценки состояния пациента и адекватности анестезии

30. Для масс-спектрометра требуется небольшой объем дыхательной смеси из дыхательногоконтура • Это позволяет сделать малопоточную анестезию более безопасной. • Важность этого факта отмечали раньше даже при использовании м-с.

31. «Один из недостатков МС обусловлен тем, что постоянная аспирация образцов осложняет измерение потребление О2 по закрытому (реверсивному) контуру. Если дыхательный объём невелик …, то при высокой скорости аспирации из дыхательного контура может насасываться свежая дыхательная смесь, что приводит к занижению концентрации газов во вдыхаемой смеси». Морган-мл. Д.Э., Михаил Мэгин. Клиническая анестезиология ; пер с англ. в 3 т. – M.: БИНОМ, 2005. 2.

32. 2. С помощью м-с (МХ-6202 и 6203) можно осуществлять мониторинг газового состава дыхательной смеси в режиме «вдох-выдох», своевременно выявлять нарушения и оценивать эффективность реанимации В Европейских руководящих принципах Совета реанимации 2010 г. предусмотрено использование показателя PetCO2 [19].

33. 3. С помощью МС и простейших устройств можно при ИВЛ одновременно определять состав дыхательных газов в режиме «вдох-выдох» и смешанного выдыхаемого воздуха для расчета энергообмена Исследование с помощью масс-спектрометра при ИВЛ

34. Одновременная синхронная регистрация дыхательных газов и объемной скорости (объема) масс-спектрометром А.с. № 904660, Б.И., 1982г., № 6

35. 4. Исследования у 211 собак, 73 здоровых лиц, 334 больных с различной патологией (острая кровопотеря, ИВЛ кардиохирургия, тяжелые травма и ожоги, бронхиальная астма, ожирение) показали, что с помощью МС, оксигемометрии, полярографии крови, интегральной реографии тела, волюмоспирометрии и гемоглобинометрии, на основании наиболее информативных показателей для соответствующей патологии, можно осуществлять экспресс-диагностику нарушений газообмена при критических состояниях.

36. Этап газообмена Наиболее информативные показатели Атмосферно-легочный газообмен: nвентиляционная ОДН nпаренхиматозная ОДН FetCO2,  CO2 , SaO2 , PaO2 , FiO2  FetCO2 или N,  CO2 N или , PaO2  , SaO2  Транспорт газов кровью МОК , УИ, СИ , ИОПСС, НВцирк, P50КДО, SvO2 , PvO2,avSO2, avPO2, Газообмен в тканях лактат/пируват -BE , P50КДО SvO2, PvO2 , avSO2, avPO2 ,

37. Определены наиболее информативные показатели • при критических состояниях: • острая кровопотеря • ИВЛ в режиме нормо-, гипер- и гиповентиляции • тяжелая механическая травма • термические поражения • бронхиальная астма • ожирение Левшанков, А.И. Экспресс-диагностика нарушений газообмена и контроль его в процессе интенсивной терапии / Дисс. … д.м.н. – Л.: ВМА. – 1982. – 569 с.

38. 5. Масс-спектрометрический контроль регионарного чрезкожного газообмена (РЧкГ) и метаболического профиля кожи при различных состояниях. К сожалению, этой проблеме до сих пор не уделяется должного внимания.

39. Нами еще в 70-е годы прошлого столетия впервые в мире показана топография и значимость исследования регионарного газообмена через различные участки кожи и слизистых оболочек с помощью МС. Топография выделения СО2 различными участками кожи и слизистой (∙10-5 мл/мин см-2) Левшанков, А.И. Экспресс-диагностика Нарушений газообмена и контроль его в процессе интенсивной терапии / Дисс. … д.м.н. – Л.: ВМА. – 1982. – 569 с.

40. Важные результаты получены при исследовании с помощью м-с МХ-6203 в 1-м ЛМИ им. академика И.П.Павлова Впервые показана зависимость РЧкГ от возраста, исследуемого участка поверхности тела, степени нарушения кровообращения у больных с облитерирующим атеросклерозом сосудов нижних конечностей и степени его восстановления после эпидуральной аналгезии и анестезии, симпатэктомии и аорто-бедренного шунтирования. Обоснована целесообразность широкого использования предлагаемой методики измерения РЧкГ при лечении больных Левшанков К.А. Регионарный чрезкожный газообмен при эпидуральной аналгезии и анестезии у больных облитерирующим атеросклерозом сосудов нижних конечностей. Автореф. дисс. … канд. мед.наук. – СПб., 1991. – 21 с.

42. 6. Разработан первый в мире макет масс-спектрометра портативного (12 кг) с возможностью определения микроколичеств (1990). К сожалению, в связи с «перестройкой» в стране финансирование и ОКР прекратились. Лишь спустя 19 лет (с 2009 г.) возобновлены исследования Кафедрой анестезиологии и реаниматологии ВМедА и Физико-техническим институтом им. А.Ф. Иоффе РАН

43. С 80-х годов XX века появились работы об использовании МС во время анестезии. Однако до сих пор имеются противоречивые мнения и многие вопросы до сих пор не решены. Ibarra E., Lees D.E., Mass spectrometer monitoring of patients with anesthesia Anestheiology. 1985. Vol. 63, N 5. P. 572-573. Ozanne G. M., Young W.G., Mazzei W.J., Severinghaus J.W. Multipatient Anesthetic Mass Spectrometry Anesthesiology. 1981. Vol. 55, P. 62-70. Norman E.A., Zeig N. J., Ahmad I. Better designs for mass spectrometer monitoring of the awake patient. Anesthesiology. 1986. Vol. 64, N 5. P. 664-665 Морган, Д. Э., Михаил М.С. Клиническая анестезиология – 2006. Т. 3. 496 497 Medical Applications of Mass Spectrometry / Ed. by K. Vekey,A. Telekes, A. Vertes // Elsevier Science – First edition, 2008. – 581 p.

44. Основная цель наших исследований в 2009-2011 гг. – определить новые возможности современной МС для обеспечения безопасности пациента Объект и методика исследований Исследования проведены во время нейрохирургических операций в условиях многокомпонентной анестезии с ИВЛ Квадрупольный масс-спектрометр (Prizma Plus Pfeiffer Vacuum, Germany) подсоединяли к дыхательному контуру (ДК) Fabius (Draeger Germany) и осуществляли мониторинг дыхательной смеси с помощью масс-спектрометра и датчиков АИА. Схема соединения с ДК

45. 1. Мониторинг концентраций ряда компонентов дыхательной смеси во время многокомпонентной анестезии в условиях ИВЛ при хирургических операциях

46. 2. Быстрое определение изменения концентрации ингаляционного анестетика в ДК АИН, что позволяет сделать анестезию более управляемой, «упреждающей» и безопасной.

47. 3. Более быстрое и точное, чем используемые в настоящее время датчики ИК АИА, определение содержание ингаляционного анестетика (севофлурана) в дыхательной смеси, что позволяет лучше регулировать глубину анестезии.

48. 4. Определение одним портативным м-с многокомпонентного состава дыхательной смеси (СО2,О2, N2O, изофлурана), а также микроколичества (10-7 – 10-12) ряда веществ, выделяемых через легкие и кожу в микроколичестве, например, токсического вещества (субстанции А, Б, С, Д), образующегося при соприкосновении севофлурана с нагретым поглотителем СО2 .

49. 5. Определение допустимого малопоточного безопасного для пациента газотока – до сих пор нет единого мнения. Результаты наших исследований при использовании минимального потока (0,5 л/мин) при анестезии севофлураном в комбинации с закисью азота не выявили нарушений функции печени.

50. Результаты биохимического анализа крови до и после анестезии севофлураном