Библиографическое описание:

Агейкин А. В., Georgieva A. T., Димитров Д. Ц., Аверин И. А., Темников В. А., Мельников В. Л., Митрофанова Н. Н., Грызункова Ю. Е. Современные представления о детектировании porphyromonas gingivalis как предиктора развития двух смежных заболеваний: пародонтита и атеросклероза // Молодой ученый. — 2015. — №4. — С. 74-78.

В связи с неполноценным и несбалансированным питанием, а также с нарушением режима приёма пищи в последнее время всё более становится актуальным вопрос неприятного запаха изо рта. Имеющиеся на сегодняшний день стандартизированные стоматологические процедуры и ополаскиватели обеспечивают только временный эффект.

Известно, что ротовая полость является одной из самых «грязных» полостей организма человека. Здесь присутствуют сотни видов бактерий, продуктами жизнедеятельности которых являются летучие серные соединения (ЛСС). Именно они и вызывают тот самый неприятный запах изо рта. К таким соединениям относятся метилмеркаптан и сероводород, которые образуются в результате деградации белков.

Микроорганизмы, преобладающие в ротовой полости в высокой концентрации, очень часто являются возбудителями различных инфекций, некоторые из которых носят хронический характер. К примеру, Porphyromonas gingivalis (P. gingivalis) является возбудителем генерализованной формы агрессивного пародонтита. Также данный микроорганизм вызывает ускоренное развитие атеросклероза с появлением атеросклеротических бляшек в различных отделах сосудистой системы. Это происходит по механизму транзиторной бактериемии, в результате которого осуществляется перенос микроорганизма через ткани десны непосредственно в кровеносное русло при выполнении различных стоматологических манипуляций и процедур.

При проведении исследований на лабораторных мышах выяснилось, что атеросклерозом в основном поражаются коронарные артерии сердца, а также брюшная часть аорты. Кроме этого, методом флуоресцентной in situ гибридизации (FISH) было доказано непосредственное наличие и высокая способность P. gingivalis выживать в пределах атероматозных бляшек [1–6].

Необходимо отметить, что P. gingivalis может оказывать прямое влияние на атеросклеротические бляшки путем своего вторжения в антигенпрезентирующие клетки крови и эндотелиальные клетки кровеносных сосудов, а также косвенное влияние за счет увеличения количества растворимых медиаторов воспаления [7, 8].

Наличие метаболически активных бактерий в атеросклеротических поражениях приводит к индуцированной с инфекцией эндотелиальной дисфункции в результате уменьшения продукции оксида азота (NO), который занимает центральное место в регуляции процессов вазодилатации, воспаления, тромбоза и т. д. [9–11].

Исходя из вышесказанного, одной из причин развития как пародонтита, так и атеросклероза, является бактериальная микрофлора, а именно, P. gingivalis.

Высокий процент заболеваемости и социальная значимость этих патологических процессов заставляет задуматься о ранней диагностике данных заболеваний. Поэтому, было бы актуально рассмотреть вопрос диагностики пародонтита и атеросклероза со стороны раннего детектирования P. gingivalis непосредственно в ротовой полости.

На современном этапе развития науки актуально использовать неинвазивные методы диагностики различных заболеваний. Одним из таких методов является диагностика заболеваний по выдыхаемому воздуху с использованием газовых сенсоров [12]. Он позволяет эффективно и в кратчайшие сроки сделать заключение о качественном и количественном анализе газов, содержащихся в выдыхаемом воздухе.

Как было указано выше, P. gingivalis в процессе биологического окисления выделяет такие газы, как метилмеркаптан и сероводород. Именно по их наличию и повышенной концентрации в выдыхаемом воздухе можно сделать предварительное заключение о наличии данного микроорганизма в ротовой полости, что позволит в свою очередь своевременно начать соответствующую антимикробную терапию.

На сегодняшний день существует большое количество типов химических газовых сенсоров: хеморезистивные на основе металлооксидных полупроводников [13–15], хеморезистивные на основе полимерных материалов [16,17], тонкопленочные сенсоры на основе композиций полупроводник-диэлектрик [18–22], сенсоры на основе полевых транзисторов [23]. Также существует множество способов получения наноматериалов для сенсоров, например, метод магнетронного распыления, метод золь-гель технологии и др. [24–27]. Для детектирования столь малых количеств газов-маркеров заболеваний в выдыхаемом воздухе необходима большая чувствительность сенсоров. Все традиционные методы улучшения чувствительности связаны с контролем размера и формы нанокристаллитов, использованием пористых, иерархически организованных материалов, контролем толщины, фазового состава нанопленок чувствительных элементов, внедрением модификаторов и каталитических добавок [28–30]. Тем не менее, наиболее перспективными, с точки зрения применения газовых сенсоров в медицине, являются структуры ZnO — ZnO:Me, где Me — катионы металлов. Такие сенсоры уже показывают высокую чувствительность к низким концентрациям газов, а также увеличение газочувствительности с уменьшением рабочей температуры [31, 32]. Их применение может быть очень перспективно при ранней диагностике различных заболеваний [33–35].

Существенным недостатком диоксида олова, как материала для газовых сенсоров, является низкая селективность, обусловленная наличием на его поверхности широкого спектра адсорбционных центров, что не позволяет выделить вклад данного типа молекул в газовой фазе в суммарный электрический сигнал. Одним из путей улучшения селективности является введение в высокодисперсную оксидную матрицу модификаторов, как правило, оксидов металлов (In2O3, V2O5, Fe2O3, CuO, MoO3, WO3), которые могут влиять на электронные и каталитические свойства поверхности.

Сенсорный отклик к сероводороду формируется за счёт его окисления различными формами кислорода на поверхности полупроводника, идущего по схеме:

.

Роль модификатора в данном процессе заключается только в увеличении адсорбции сероводорода на поверхность полупроводника, что сопровождается облегчением гетеролитического разрыва связей S-H. Для этого необходимо увеличить отрицательный заряд на атомах кислорода, т. е. модифицировать поверхность SnO2 более слабой кислотой Льюиса — ввести оксид металла с меньшим . Увеличение чувствительности при этом подтверждается экспериментальным путём — рисунок 1.

Рис. 1. Температурная зависимость чувствительности композитов к сероводороду

 

По всей видимости, аналогичные закономерности и процессы протекают в сенсоре при детектировании метилмеркаптана CH3SH.

Таким образом, повышение чувствительности газовых сенсоров позволит использовать их в медицине в качестве диагностического инструмента для идентификации различных нарушений биохимических процессов в организме человека, связанных как с эндогенными причинами, так и с экзогенными, в том числе, с бактериальной микрофлорой.

 

Литература:

 

1.         Haraszthy V. I., Zambon J. J., Trevisan M., Zeid M., Genco R. J. (2000) Identification of Periodontal Pathogens in Atheromatous Plaques. Journal of Periodontology 71: 1–7.

2.         Fiehn N. E., Larsen T., Christiansen N., Holmstrup P., Schroeder T. V. (2005) Identification of Periodontal Pathogens in Atherosclerotic Vessels. Journal of Periodontology 76: 731–736.

3.         Aimetti M., Romano F., Nessi F. (2007) Microbiologic Analysis of Periodontal Pockets and Carotid Atheromatous Plaques in Advanced Chronic Periodontitis Patients. Journal of Periodontology 78: 1718–1723. doi:10.1902/ jop.2007.060473.

4.         Cairo F., Gaeta C., Dorigo W., Oggioni M. R., Pratesi C., et al. (2004) Periodontal pathogens in atheromatous plaques. A controlled clinical and laboratory trial. J Periodontal Res 39: 442–446. doi:10.1111/j.1600–0765.2004.00761.x.

5.         Cavrini F., Sambri V., Moter A., Servidio D., Marangoni A., et al. (2005) Molecular detection of Treponema denticola and Porphyromonas gingivalis in carotid and aortic atheromatous plaques by FISH: report of two cases. Journal of Medical Microbiology 54: 93–96. doi:10.1099/jmm.0.45845–0.

6.         Kozarov E. V., Dorn B., Shelburne C. E., Dunn W. Jr., Progulske-Fox A. (2005) Human Atherosclerotic Plaque Contains Viable Invasive Actinobacillus actinomycetemcomitans and Porphyromonas gingivalis. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology 25: e17–e18. doi:10.1161/ 01.ATV.0000155018.67835.1a.

7.         Wada K., Kamisaki Y. (2010) Molecular dissection of Porphyromonas gingivalisrelated arteriosclerosis: a novel mechanism of vascular disease. Periodontol 2000 54: 222–234.

8.         Carrion J., Scisci E., Miles B., Sabino G. J., Zeituni A. E., et al. (2012) Microbial carriage state of peripheral blood dendritic cells (DCs) in chronic periodontitis influences DC differentiation, atherogenic potential. The Journal of Immunology 189: 3178–3187. doi:10.4049/jimmunol.1201053.

9.         Tousoulis D., Kampoli A. M., Tentolouris C., Papageorgiou N., Stefanadis C. (2012) The role of nitric oxide on endothelial function. Curr Vasc Pharmacol 10:4–18.

10.     Allen J. D., Giordano T., Kevil C. G. (2012) Nitrite and nitric oxide metabolism in peripheral artery disease. Nitric Oxide 26: 217–222. doi:10.1016/ j.niox.2012.03.003.

11.     Vasquez E. C., Peotta V. A., Gava A. L., Pereira T. M., Meyrelles S. S. (2012) Cardiac and vascular phenotypes in the apolipoprotein E-deficient mouse. J. Biomed Sci 19: 22. doi:10.1186/1423–0127–19–22.

12.     Агейкин А. В., Пронин И.А Диагностика заболеваний желудочно-кишечного тракта человека по выдыхаемому воздуху с помощью массива полупроводниковых газовых сенсоров. Молодой ученый. 2014. № 12 (71). С. 383–384.

13.     Аверин И. А., Пронин И. А., Якушова Н. Д., Горячева М. В. Особенности вольтамперных характеристик газовых сенсоров резистивного типа в мультисенсорном исполнении // Датчики и системы. 2013. № 12 (175). С. 12–16.

14.     Пронин И. А., Аверин И. А., Мошников В. А., Якушова Н. Д., Кузнецова М. В., Карманов А. А. Перколяционная модель газового сенсора на основе полупроводниковых оксидных наноматериалов с иерархической структурой пор // Нано- и микросистемная техника. 2014. № 9. С. 15–19.

15.     Давыдов С. Ю., Мошников В. А., Федотов А. А. Адсорбция газов на полупроводниковых оксидах: изменение работы выхода // Письма в Журнал технической физики. 2004. Т. 30. № 17. С. 39–44.

16.     Левин К. Л., Пщелко Н. С. Электрохимические свойства композита полипиррола и полиимида // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2011. Т. 53. № 6. С. 906–917.

17.     Shishov M. A., Moshnikov V. A., Sapurina I.Yu. Self-organization of polyaniline during oxidative polymerization: formation of granular structure // Chemical Papers. 2013. Т. 67. № 8. С. 909–918.

18.     Pronin I. A., Goryacheva M. V. Principles of structure formation and synthesis models produced by the sol-gel method SiO2-MexOy nanocomposites // Surface and Coatings Technology. 2013. Т. 235. С. 835–840.

19.     Афанасьев В. П., Чигирев Д. А., Пщелко Н. С., Сидорова Н. П. Влияние постоянного электрического поля на процесс осаждения тонких пленок платины методом ионно-плазменного распыления // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2010. № 6. С. 59–65.

20.     Пронин И. А., Аверин И. А., Димитров Д. Ц., Карманов А. А. особенности структурообразования и модели синтеза нанокомпозитных материалов составаSiO2-MeXOY, полученных с помощью золь-гель-технологии // Нано- и микросистемная техника. 2014. № 8. С. 3–7.

21.     Gracheva I. E., Spivak Y. M., Moshnikov V. A. AFM technicques for nanostructured materials used in optoelectronic and gas sensors // В сборнике: IEEE EUROCON 2009, EUROCON 2009 St. Petersburg, 2009. С. 1246–1249.

22.     Пщелко Н. С. Поляризация приповерхностных слоев ионных диэлектриков на границе электроадгезионного контакта с проводником // Цветные металлы. 2005. № 9. С. 44–50.

23.     Пщелко Н. С., Мустафаев А. С. Использование полевых транзисторов для контроля характеристик диэлектриков // Записки Горного института. 2010. Т. 187. С. 125–131.

24.     Аверин И. А., Карпова С. С., Мошников В. А., Никулин A. С., Печеpская P. М., Пронин И. А. Управляемый синтез тонких стекловидных пленок // Нано- и микросистемная техника. 2011. № 1. С. 23–25.

25.     Мошников В. А., Грачева И. Е., Пронин И. А. Исследование материалов на основе диоксида кремния в условиях кинетики самосборки и спинодального распада двух видов // Нанотехника. 2011. № 2. С. 46–54.

26.     Вощилова Р. М., Димитров Д. П., Долотов Н. И., Кузьмин А. Р., Махин А. В., Мошников В. А., Таиров Ю. М. Формирование структуры газочувствительных слоев диоксида олова, полученных реактивным магнетронным распылением // Физика и техника полупроводников. 1995. Т. 29. № 11. С. 1987–1994.

27.     Якушова Н. Д. Получение оксидных материалов методом алкокситехнологии // Молодой ученый. 2013. № 8. С. 47–49.

28.     Якушова Н. Д. Модифицирование селективных и газочувствительных свойств сенсоров путем легирования // Молодой ученый. 2013. № 8. С. 32–34.

29.     Аверин И. А., Пронин И. А., Мошников В. А., Димитров Д. Ц., Якушова Н. Д., Карманов А. А., Кузнецова М. В. Анализ каталитических и адсорбционных свойств d-металлов-модификаторов диоксида олова // Нано- и микросистемная техника. 2014. № 7. С. 47–51.

30.     Аверин И. А., Мошников В. А., Пронин И. А. вклад поверхности газочувствительных композитов SnO2—In2O3 в сенсорные свойства и селективность // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 9. С. 19–21.

31.     I. A. Pronin, D.Tz. Dimitrov, L. K. Krasteva, K. I. Papazova, I. A. Averin, A. S. Chanachev, A. S. Bojinova, A.Ts. Georgieva, N. D. Yakushova, V. A. Moshnikov Theoretical and experimental investigations of ethanol vapour sensitive properties of junctions composed from produced by sol-gel technology pure and Fe modified nanostructured ZnO thin films // Sensors and Actuators A: Physical. — 2014. — V. 206. — P 88–96.

32.     Якушова Н. Д., Димитров Д. Ц. Чувствительность переходов ZnO/ZnO:Fe к этанолу // Молодой ученый. 2013. № 5. С. 26–28.

33.     Мельников В. Л., Рыбалкин С. Б., Митрофанова Н. Н., Агейкин А. В. Некоторые клинико-эпидемиологические аспекты течения атопического дерматита на территории Пензенской области // Фундаментальные исследования. 2014. № 10–5. С. 936–940.

34.     Мельников В. Л., Рыбалкин С. Б., Митрофанова Н. Н., Агейкин А. В. Эпидемиологические особенности атопического дерматита на территории Пензенской области // В сборнике: Наука и образование в жизни современного общества сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 декабря 2014 г.: в 12 частях. Тамбов, 2015. С. 113–115.

35.     Мельников В. Л., Рыбалкин С. Б., Митрофанова Н. Н., Агейкин А. В. Современные проявления эпидемического процесса и особенности течения атопического дерматита // Фундаментальные исследования. 2014. № 10–8. С. 1528–1531.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle