Анализ физиологических особенностей производных кожи биофизическими методами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии - МВА имени К.И. Скрябина» (ФГБОУ ВО МГАВМиБ - МВА имени К.И. Скрябина)

Анализ физиологических особенностей производных кожи биофизическими методами

Олешкевич Анна Анатольевна,

профессор кафедры информационных технологий, математики и физики, доктор биологических наук, доцент

Комарова Светлана Алексеевна,

старший преподаватель кафедры информационных технологий, математики и физики

Шевкопляс Владимир Николаевич,

проректор по науке, доктор ветеринарных наук; профессор

Аннотация

Для определения физиологических особенностей кожи животных разного вида была изучена возможность применения следующих биофизических методов: поляризационно-интерференционной микроскопии, флуоресцентной микроскопии, ультрафиолетовой (УФ) спектрофотометрии, редокс-метрии. В качестве образцов были взяты волосы разного цвета, формы, длины и толщины от животных различных классов, семейств и видов. Полученные спектры поглощения ультрафиолетового излучения имеют характерные различия в полосах поглощения волос не только разных классов, семейств и видов животных, но и возрастные и половые отличия. Фрактальный анализ микрофотографий волос животных провели в программном пакете «HarFA». Были построены уравнения регрессии, соответствующие графики и гистограммы. Значение фрактальной размерности также было индивидуально для кожи разных видов животных. Результаты редоксометрии показали, что редокс-потенциалы различны для производных кожи животных разных видов.

Abstract

Analysis of the physiological features of skin derivatives by biophysical methods

Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow State Academy of Veterinary Medicine and Biotechnology - MVA by K.I. Skryabin» (Moscow SAVMB)

Anna Anatol'evna Oleshkevich, Professor of the Department of Information Technologies, Mathematics and Physics,

Doctor of Biological Sciences

Svetlana Alekseevna Komarova, Senior Lecturer, Department of Information Technologies, Mathematics and Physics.

Vladimir Nikolaevich Shevkoplyas, Vice-Rector for Science, Doctor of Veterinary Sciences; Professor.

To determine the physiological characteristics of the skin of animals of different types, the possibility of using the following biophysical methods was studied: polarization-interference microscopy, reflected light microscopy, fluorescence microscopy, ultraviolet (UV) spectrophotometry, redox-metry. Hair samples of various colors, shapes, lengths and thicknesses from animals of various classes, families and species were taken. The UV-spectra absorption obtained have characteristic differences not only in the absorption bands of hair different classes, families and species of animals, but also age and sex differences. A fractal analysis of micrographs of animal hair was performed in the HarFA software package. Regression equations, the corresponding graphs and histograms were built. The values of the fractal dimension were also individual for the skin of different species of animals. The results of redoxometry showed that the redox potentials are different for skin «s derivatives from animals of different types.

Введение

редоксометрия кожа животное

В силу способности к адаптации к различным природным условиям, кожа и её производные могут сильно отличаться по химическому составу даже у близких видов животных. Основными составными компонентами волос являются кератин и меланин, которые по строению отличны от меланина кожного покрова. Высокое содержание серосодержащих аминокислот в составе кератинов шёрстного покрова является их отличительной особенностью. До настоящего момента основными методами исследования кожного покрова и производных кожи - волос - являются [5] световая микроскопия в проходящем свете нативных волос или продуктов их неполного гидролиза (дисков). Изучение специфических особенностей волос может нести диагностическую ценность, в связи с тем, что волосы всех видов животных отличаются полиморфностью структуры. Актуальность работы обусловлена необходимостью проведения исследования нативных волос и их щелочных гидролизатов при помощи наиболее простых, быстрых в постановке и современных биофизических методов, а также опробовать возможности программного пакета «HarFA 5.1» для анализа микрофотографий волос с целью создания в перспективе лабораторной тест-системы.

Материалы и методы

Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии - МВА имени К.И. Скрябина». Для определения видовой принадлежности волос животных применяли следующие биофизические методы: поляризационно-интерференционная микроскопия, флуоресцентная микроскопия, ультрафиолетовая (УФ) спектрофотометрия, а также редокс-метрия. В качестве образцов были намеренно отобраны волосы с холки животных различных классов, семейств и видов. Образцы волос для лабораторного анализа были разного цвета, формы, длины и толщины. Источниками для исследования служила шерсть следующих животных:

- Овца домашняя - Ovis orientalis aries, каракульская порода, Россия, 2 самки и 2 самца.

- Северный олень - Rangifer tarandus, 2 самца и 2 самки, Россия, о. Серебрякова.

- Лисица серебристо-черная, клеточного разведения - Vulpes vulpes, 3 самца и 3 самки, Россия, Московская область.

- Коза - Capra, 4 самки и 5 самцов, Россия.

Поляризационно-интерференционную микроскопию проводили при помощи микроскопа «BIOLAR» с одной двупреломляющей призмой: увеличение 600^х; объективы - х 40, А = 0,4, Т = 160. Проведение термохимического гидролиза волос с распадом на диски и люминесцентной микроскопии (увеличение 400х; объектив х40, окуляр 10 /18) осуществляли по ранее отработанной авторами методике [3]. Фотографирование результатов микроскопии осуществляли цифровой камерой-окуляром для микроскопа «SCOPETEK», модель DCM35.

Спектры и полосы поглощения щелочных гидролизатов волос животных в связи с присутствием в кератинах серосодержащих (цистин) и ароматических (триптофан, тирозин) аминокислот анализировали в УФ-области спектра. Спектрофотометрию проводили [2] в кварцевых кюветах объёмом 3 мл на спектрофотометре СФ-46. Измеряли спектры поглощения при длинах волн от 240 до 600 нм, через каждые 5 нм. Образцом сравнения (контролем) служил 10%-ный раствор NaOH.

Окислительно-во сстановительный потенциал растворов (редокс-метрия) измеряли в условиях термостатирования (+24^оС) с помощью обычного лабораторного рН-метра (типа ЭВ-74), настроенного как милливольтметр, с помощью двух электродов: измерительного и вспомогательного. Регистрировали ЭДС от датчика. Перед измерением гидролизаты инкубировали 6 дней в темноте. Для измерений брали по 1 мл гидролизата каждого образца.

Фотографии, полученные при микроскопии волос, анализировали при помощи программного пакета «HarFA 5.1».

Рис. 1а. Микрофотография волоса северного оленя (люминесцентная микроскопия, увеличение 400х)

Рис. 1б. Фрактальный анализ микрофотографии волоса северного оленя. А - графики и уравнения регрессии. Б - гистограмма

Рис. 2. Микрофотография (люминесцентная микроскопия, увеличение 400х) и фрактальный анализ микрофотографии волоса лисы. А - графики и уравнения регрессии. Б - гистограмма

Рис. 3 Микрофотография волоса овцы (съёмка в поляризационно-интерференционном микроскопе; увеличение 600х) и фрактальный анализ изображения

редоксометрия кожа животное

Результаты исследований и обсуждение

Проведённое предварительное исследование образцов волос всех видов животных в отражённом свете практически не дало диагностически значимых результатов для идентификации [3]. Было получено несколько изображений, но в подавляющем большинстве случаев структура сердцевины просматривалась слабо. По результатам проведённой люминесцентной микроскопии все образцы волос можно условно разделить на три группы: люминесцирующие, слабо лю - минесцирующие и не люминесцирующие совсем [3]. Методом поляризационно-интерференционной микроскопии (Рис. 3) все образцы просматривались хорошо, можно было идентифицировать строение сердцевины. УФ-спектрофотометрия, на наш взгляд, может быть отнесена к перспективным методам лабораторной экспертизы. Полученные на спектрофотометре СФ-46 спектры имеют характерные различия в полосах поглощения волос разных классов, семейств и видов животных. Например, полученные результаты показали, что щелочные гидролизаты волос взрослых коз (самок и самцов) начинают поглощать свет при 245-275 нм. В идентифицированном спектре присутствуют две полосы поглощения: 410-510 нм и 550-650 нм. Щелочные гидролизаты из шерсти новорождённых коз не поглощают ультрафиолетовое излучение при длинах волн 275-285 нм и 300-350 нм. Растворы щелочных гидролизатов из волос беременных коз не поглощали диапазон длин волны от 300 до 370 нм. Полосы поглощения щелочных гидролизатов волос оленя, лисы и овцы лежат в УФ-части спектра 220-345 нм и имеют по два экстремума: в начале и в конце выявленного диапазона. Особенности в положениях минимумов и максимумов и, соответственно, отличия в оптической плотности щелочных гидролизатов шерсти различных видов млекопитающих, доказывают различие в строении и составе кератинов.

При проведении исследования методом редокс-метрии учитывали, что изменение ре - докс-потенциала волос под действием света обусловлено соотношением сульфгидриль - ных (SH) и дисульфидных (SS) групп [1, 5]. Полученные данные редокс-потенциалов показали, что они различны не только для разных видов животных. Редокс-потенци - ал шерсти оленя составил минус 3,75±0,16; шерсти лисы - минус 17,5±0,7; шерсти овцы - минус 7,5± 0,4. Однако при выявленных существенных различиях в абсолютных значениях показателей, окислительно-восстановительной потенциал достоверно менялся как после облучения растворов светом, так и после инкубации образцов в темноте.

В программном пакете «HarFA» с шагом фрактальной размерности 0.01 провели фрактальный анализ изображений волос животных по методу А.А. Олешкевич с соавторами [4]. Были получены уравнения регрессии, построены соответствующие графики и гистограммы (Рис. 1-3).

Анализ (Рис. 1-3) выявляет изменения в структуре волоса, позволяя получить важную и достоверную информацию для диагностики. На рисунках отчётливо видна фрактальная структура анализируемого объекта, а также отражены их видовые различия в гистограммах и коэффициентах фрактальной размерности. Материалом для дальнейшей интерпретации являются получаемые графики с коэффициентами фрактальной размерности (в комбинациях BW и B+BW) при максимальной корреляции R и минимальном коэффициенте дисперсии и представление результатов в виде дискретной или непрерывной формы отображения информации. Сравнение гистограмм (вида, сдвига) и значений фрактальной размерности D (для образцов шерсти разных видов животных от y = 1,0594 до y = 1,5339,

рис. 2 и 3 - графики) позволяет сделать вывод об отсутствии самоподобия исследуемых объектов с эталонными образцами сравнения, и как следствие, говорить об обнаружении наличия видовых особенностей объектов экспертизы. До наших исследований фрактальный анализ волос и шерсти животных не проводили [4, 6-8]. При сборе достаточного банка данных для волос животных разного вида и возраста можно по изменению фрактальной размерности микрофотографий определять не только основные физиологические характеристики кожи и её производных, но и принадлежность шерсти.

Сопоставление данных анализа волос методом флуоресцентной микроскопии с результатами фрактального анализа показывает большую информативность сочетания методов лабораторных исследований с методами математической нелинейной динамики.

Заключение

Для определения физиологических особенностей кожи животных разного вида максимально информативно сочетание нескольких биофизических методов: редокс-метрии, фрактального анализа, поляризационно-интерференционной микроскопии и ультрафиолетовой спектрофотометрии. Указанные виды микроскопии выявляют отдельные черты микроструктуры волос животных, но не позволяют определить физиологических особенностей производных кожи. Полученные спектры поглощения ультрафиолетового излучения имеют характерные различия в полосах поглощения волос не только разных классов, семейств и видов животных, но и возрастные и половые отличия. Использование метода математической нелинейной динамики показало, что значения фрактальной размерности индивидуально для производных кожи разных видов животных. Результаты редоксометрии подтвердили выявленные закономерности.

Список литературы

1. Булыга Л.П. Исследование животных близких видов в практике судебной экспертизы. / Л.П. Булыга. 1980. - 123 с.

2. Комарова С.А. Изучение щелочных гидролизатов волос млекопитающих методом спектрофотометрии. / С.А. Комарова // Материалы Международной школы - семинара «Физика в системе высшего и среднего образования России». / М.: АПР, 2015. С. 128-130.

3. Комарова С.А., Олешкевич А.А., Максимов В.И. Биофизические методы определения видовой принадлежности шерсти / С.А. Комарова, А.А. Олешкевич, В.И. Максимов // Научное обозрение. 2015. №22. С. 10-16.

4. Патент РФ на изобретение №2640177. Способ определения степени влияния физических факторов на биологические объекты / А.А. Олешкевич, А.М. Носовский, Э.М. Комарова. - Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений РФ 29.06.2017 г.

5. Чернова О.Ф. Архитектоника и диагностическое значение коры и сердцевины волос /О.Н. Чернова // Известия РАН. 2004. №1. С. 73-83. (Биология)

6. Шишкин, Е.И. Моделирование и анализ пространственных и временных фрактальных объектов / Е.И. Шишкин. Екатеринбург: Уральский государственный университет, 2004. 88 с.

7. Щепин, Е.В. О фрактальных кривых Пеа - но / Е.В. Щепин // Труды МИАН. 2004. Т. 247. С. 294-303.

8. Zmeskal O. Fractal Analysis of Image Structures / O. Zmeskal, M. Vesely, M. Nezadal, M. Buchnicek // HarFA - Harmonic and Fractal Image Analysis (2001), pp. ^3-5.

Размещено на Allbest.ru