Методы исследования эндокринной системы в норме и патологии

Во-вторых, разрабатываются методы определения  внутреннего секрета и степени  его влияния на организм. Сначала  это делается посредством биологических  анализов с целью определения  влияния гормона на организм, в  котором его не хватает. Позже  устанавливаются химические методы такого измерения.

В-третьих, гормон выделяют из железы и изолируют.

И наконец, в-четвертых, его структуру определяют химики, и его синтезируют.³

В настоящее  время  у исследователей, начинающих с наблюдений на уровне целостного организма, по мере продвижения работы возникает всё больше и больше вопросов до тех пор, пока они не пытаются решить исходную проблему на молекулярном уровне. Здесь в свои руки эндокринологическое исследование берёт биологическая химия и её раздел – молекулярная биология (эндокринология).

Как только появляются новые морфологические, химические, электрофизиологические, иммунологические и другие методики, они находят очень быстрое применение в эндокринологии. Например, в 30 – 40х годах для изучения стероидов применялись весьма сложные методы. Это обусловило большие успехи в понимании структуры и биосинтеза стероидных гормонов. Возможность использования радиоактивных изотопов, появившаяся в конце 40 - 50х годов, расширила наши знания о многих аспектах йодного цикла, промежуточного обмена, транспорта ионов и т. д. Для исследования функциональной активности эндокринной железы, может быть использована ее способность захватывать из крови и накапливать определенное соединение. Известно, например, что щитовидная железа активно поглощает йод, который затем используется для синтеза тироксина и трийодтиронина. При гиперфункции щитовидной железы накопление йода усиливается, при гипофункции наблюдается обратный эффект. Интенсивность накопления йода может быть определена путем введения в организм радиоактивного изотопа 131I с последующей оценкой радиоактивности щитовидной железы. В качестве радиоактивной метки могут быть введены также соединения, которые используются для синтеза эндогенных гормонов и включаются в их структуру. В последующем можно определить радиоактивность различных органов и тканей и оценить, таким образом, распределение гормона в организме, а также найти его органы-мишени.

Позднее для изучения многих белков, в том  числе гормональных рецепторов, было творчески использовано сочетание  электрофореза в поликриламидном  геле с радиоавтографией. Одновременно с этими впечатляющими успехами в химии ещё более плодотворным оказалось применение гистохимических, иммуногистохимических и электронно-микроскопических методов.

Все варианты хроматографии – колоночная, тонкослойная, бумажная, многомерная, газо-жидкостная (с масс-спектрометрией или без  неё), высокоэффективная жидкостная – использовались эндокринологами тотчас же после их появления. Они позволили получить важные сведения не только об аминокислотной последовательности пептидов и белков, но и о липидах (особенно простагландинах и близких к ним веществах), углеводах и аминах.

По мере разработки молекулярно-биологических  методов исследования эндокринологи  быстро применяют их для изучения механизмов действия гормонов. В настоящее  время метод рекомбинантных ДНК  используется не только для этой цели, но и для производства белковых гормонов. Действительно, трудно назвать биохимический  или физиологический метод, который  не был бы взят на вооружение эндокринологами.⁴ 

1.2. Обзор современных методов исследования эндокринной системы

При обследовании больных с подозрением на эндокринную  патологию, кроме сбора анамнеза заболевания, осмотра и жалоб  больного, используют следующие методы диагностики: общие лабораторные методы (клинические и биохимические), гормональное исследование, инструментальные методы, молекулярно-генетические методы.

В большинстве  случаев гормональное исследование имеет не ключевое, а верифицирующее значение для постановки диагноза. Для постановки диагноза ряда эндокринных заболеваний гормональное исследование вообще не используется (несахарный и сахарный диабет); в ряде же случаев гормональное исследование имеет диагностическое значение только в комплексе с биохимическими показателями (уровень кальция при гипертиреозе).

При гормональном исследовании  может быть выявлено снижение продукции того или иного  гормона, повышение и его нормальный уровень (таб.1). Наиболее часто используемыми в клинической практике методами определения гормонов являются различные модификации радиоиммунного метода. Эти методы основаны на том, что меченный радиоактивной меткой гормон и гормон, содержащийся в исследуемом материале, конкурируют между собой за связывание со специфическими антителами: чем больше в биологическом материале содержится данного гормона, тем меньше свяжется меченых молекул гормона, так как количество гормонсвязывающих участков в образце постоянно. Более 20 лет назад Berson и Yalow предложили радиоиммунологический метод определения инсулина.  
Этот метод основывался на их наблюдении, согласно которому в периферической крови больных диабетом, получавших инсулин, присутствует белок (который, как было показано позднее, является глобулином), связывающий инсулин, меченный 131I. Значение этих данных и последующей разработки радиоиммунологического метода определения инсулина подчеркивается присуждением Yalow и Berson нобелевской премии. 
Вскоре после первых сообщений этих исследователей другими лабораториями были разработаны и описаны соответствующие методы для определения других гормонов. В этих методах применяются либо антитела, либо сывороточные белки, связывающие определенный гормон или лиганд и несущий радиоактивную меткугормон, конкурирующий со стандартным гормоном или гормоном, присутствующим в биологической пробе.

Принцип радиорецепторного метода по существу не отличается от радиоиммунологического, только гормон, вместо того чтобы связываться с антителами, связывается со специфическим гормональным рецептором плазматической мембраны или цитозоля. Специфические рецепторы большинства полипептидных гормонов располагаются на наружной поверхности плазматической мембраны клеток, тогда как рецепторы биологически активных стероидов, а также тироксина и трийодтиронина — в цитозоле и ядрах. Чувствительность радиорецепторного анализа ниже, чем радиоиммунологического и большинства биологических методов в системах in vitro. Для того чтобы взаимодействовать со своим рецептором, гормон должен иметь соответствующую конформацию, т. е. быть биологически активным. Возможна ситуация, в которой гормон теряет способность связываться со своим рецептором, но продолжает взаимодействовать с антителами в системе для радиоиммунологического анализа. Это расхождение отражает тот факт, что антитела и рецепторы «узнают» разные участки молекулы гормона.

Предложен ряд радиорецепторных методов гормонального  анализа. Обычно получают ткань специфического для данного гормона органамишени и с помощью стандартных методик  выделяют из нее рецепторы. Изолированные  рецепторы плазматической мембраны в осадке при хранении в условиях температуры менее — 20 °С относительно стабильны. Однако солюбилизированные рецепторы полипептидных и стероидных гормонов, выделенные из плазматических мембран либо из цитозоля и не связанные с лигандами, оказываются нестабильными, что проявляется снижением их способности связывать специфические гормоны, даже если они хранились в замороженном виде, сравнительно недолго.

В последнее  время наибольшее распространение получили нерадиоактивные методики. В качестве стандартного метода определения различных соединений в клинической химии все большее распространение получает иммуноанализ, отличающийся хорошей чувствительностью, специфичностью и широкой сферой применения. В частности, иммуноанализ применяют для определения гормонов. К числу таких методов относятся:

1) иммуноферментный анализ (ИФА), твердофазный ИФА типа ELISA или гомогенный ИФА типа EMIT.

2) флуоресцентный иммуноанализ (ФИА), базирующийся на измерении усиления, гашения или поляризации флуоресценции или на изучении флуоресценции с разрешением во времени.

3) био- или хемилюминесцентный иммуноанализ.

Методика должна:

1) быть применимой как для двухсайтового иммунометрического анализа белков, так и для прямых конкурентных анализов гаптенов, основанных на принципе связывания.

2) иметь соответствующие чувствительность, точность и рабочий диапазон определяемых концентраций с минимальным разбросом результатов во всем диапазоне.

3) легко совершенствоваться с целью дальнейшего повышения чувствительности и упрощения анализа.

Потенциально в методике должна быть заложена возможность ее усовершенствования и применения к анализам других веществ, внелабораторным и безразделительным анализам и к одновременному определению нескольких веществ (так называемому множественному иммуноанализу). Идеальным методам иммуноанализа, в наибольшей степени, соответствуют люминесцентные или фотоэмиссионные методы, в которых детекция метки проводится по регистрации излучения света.

Люминесценция - это эмиссия света веществом, находящимся в электронно-возбужденном состоянии. Существуют несколько типов люминесценции, различающихся только источниками энергии, которая переводит электроны в возбужденное состояние, т.е. на более высокий энергетический уровень, а именно:

1) Радиалюминесценция, в которой возбуждение соответствующего флуорофора достигается за счет поглощения энергии, выделяющейся в процессе необратимого радиоактивного распада. Возбужденный флуорофор излучает свет, возвращаясь в основное состояние.

2) Хемилюминесценция, в которой возбуждение достигается в результате химической реакции (обычно необратимой реакции окисления). Если химическая реакция осуществляется в биологических системах под действием ферментов, то в этом случае обычно употребляют термин биолюминесценция. Если химическая реакция инициируется повышением температуры реагентов, то такой тип люминесценции называют термохемилюминесценцией,  если же реакцию инициирует электрический потенциал, то соответствующее явление называют электрохемилюминесценцией.

3) Фотолюминесценция, в которой возбуждение вызывают фотоны инфракрасного, видимого или ультрафиолетового света. Фотолюминесценцию можно далее подразделить на флуоресценцию, когда возбужденная молекула быстро возвращается в исходное состояние через синглетное состояние, и фосфоресценцию, когда возбужденная молекула возвращается в исходное состояние через триплетное состояние. Эмиссия фосфоресценции затухает намного медленнее. Испускаемые кванты света имеют большую длину волны. Фотолюминесценция отличается от радио- и хемилюминесценции тем, что она обычно обратима, и поэтому в данной системе ее можно индуцировать повторно (поскольку образование возбужденного интермедиата и последующая его инактивация путем эмиссии света не приводят к химическим превращениям).

Кроме этих методов, своё значение полностью не потеряли химические методы определения ряда веществ (обычно это метаболиты гормонов и их предшественников). Для очистки белковых фракций и изучения гормонов часто используют хроматографию. Жидкостная хроматография находит широкое применение в качестве экспрессного и селективного аналитического метода при разделении и идентификации различных веществ. Жидкостная хроматография (ЖХ) в ее классическом варианте (при атмосферном давлении) и высокоскоростная, или ВЭЖХ при повышенном давлении - оптимальный метод анализа химически и термически нестойких молекул, высокомолекулярных веществ с пониженной летучестью, что объясняется особой ролью подвижной фазы: в отличие от газообразной элюент в ЖХ выполняет не только транспортную функцию. Природа и строение компонентов подвижной фазы контролируют хроматографическое поведение разделяемых веществ. Среди наиболее типичных объектов жидкостной хроматографии белки, нуклеиновые кислоты, аминокислоты, красители, полисахариды, взрывчатые вещества, лекарственные препараты, метаболиты растений и животных. Жидкостная хроматография, в свою очередь, разделяется на жидкостно-адсорбционную (разделение соединений происходит за счет их различной способности адсорбироваться и десорбироваться с поверхности адсорбента), жидкостно-жидкостную, или распределительную (разделение осуществляется за счет различной растворимости в подвижной фазе - элюенте и неподвижной фазе, физически сорбированной или химически привитой к поверхности твердого адсорбента), ионообменную хроматографию, где разделение достигается за счет обратимого взаимодействия анализируемых ионизирующихся веществ с ионными группами сорбента - ионита. Особое место в использовании методов жидкостной хроматографии в медицине занимают эксклюзионная, или гель-хроматография и аффинная, или биоспецифическая. В основе этого варианта ЖХ лежит принцип разделения смеси веществ по их молекулярным массам. В эксклюзионной (от англ. exclusion - исключение; устаревшее название - ситовая) хроматографии молекулы веществ разделяются по размеру за счет их различной способности проникать в поры сорбента. Подвижная фаза - жидкость, а неподвижная - та же жидкость, заполнившая поры сорбента (геля). Если молекулам анализируемого вещества недоступны эти поры, то соответствующее соединение выйдет из колонки раньше, чем то, у которого размеры молекул меньше. Молекулы или ионы, размеры которых находятся между максимальным и минимальным диаметром пор геля, разделяются на отдельные зоны. Особенно интенсивное развитие эксклюзионная хроматография получила в последние два десятилетия, чему способствовало внедрение в химическую и биохимическую практику сефадексов - декстрановых гелей, поперечно сшитых эпихлоргидрином. На различных типах сефадексов можно фракционировать химические вещества с различными молекулярными массами, поэтому их широко используют для выделения и очистки биополимеров, пептидов, олиго- и полисахаридов, нуклеиновых кислот и даже клеток (лимфоцитов, эритроцитов), в промышленном производстве различных белковых препаратов, в частности ферментов и гормонов.⁵ Аффинная хроматография отличается чрезвычайно высокой избирательностью, присущей биологическим взаимодействиям. Нередко одна хроматографическая процедура позволяет очистить нужный белок в тысячи раз. Это оправдывает затраты усилий на приготовление аффинного сорбента, что не всегда оказывается легкой задачей ввиду опасности утраты биологическими молекулами способности к специфическому взаимодействию в ходе их ковалентного присоединения к матрице.⁶