Biomolecules, Cells and Tissue Studied by IR-Spectroscopy

Význam tématu

Infračervená (FT-IR) spektroskopie a zobrazování v oblasti středního IR se v posledních desetiletích etablovaly jako klíčová nekontaktní metoda pro analýzu biomolekul a tkání. Díky schopnosti detekovat konformační změny proteinů, strukturu lipidů či polysacharidů umožňuje rychlou charakterizaci vzorků bez nutnosti barvení nebo značení. Tato technologie nachází uplatnění ve farmaceutickém výzkumu, biotechnologii, medicíně i potravinářství.

Cíle a přehled studie

Application Note AN B407 představuje využití FT-IR spektroskopie a mikroskopického zobrazování pro:

• Analýzu konformace a stability proteinů ve formu­lích (kapalná i lyofilizovaná).
• Detekci a kvantifikaci agregátů a β-nitkových struktur při formulaci bioterapeutik.
• Identifikaci mikroorganismů až na úroveň kmenů v potravinách či farmaceutických výrobcích.
• Prostorové zobrazení distribuce biomolekul v tkáňových řezech.

Použitá metodika a instrumentace

Spektroskopická měření probíhala na Fourierově transformované infračervené spektrometrii (FT-IR) s mikroskopickým doplňkem vybaveným multielementními detektory pro rychlé zobrazování. Klíčové komponenty:

• FT-IR zdroj a interferometr pokrývající střední IR oblast.
• Bruker Hyperion 3000 mikroskop vybavený detektorem s rozlišením až 0,5 µm.
• Možnost simultánního sběru celé IR signatury v každém pixelu obrazu (4×4 µm).
• Fluorescenční kanál pro doplňující označení specifických látek.

Hlavní výsledky a diskuse

Protějškem klasické velikostně vylučovací chromatografie je FT-IR detekce konformačních změn proteinů se zvýšenou citlivostí i v raných fázích denaturace. Zobrazovací technika odhalila:

• Prostorovou koncentraci terapeutických látek v proteinových oblastech tkáňových ře­zů myšího ledvinového vzorku.
• Oddělené oblasti akumulace lipidů ve stejném preparátu.
• Schopnost identifikovat mikrobiální kmeny na základě unikátních IR signatur.

Přínosy a praktické využití metody

FT-IR spektroskopie a zobrazování přináší následující výhody:

• Rychlá, netoxická a neinvazivní analýza bez chemického značení.
• Schopnost sledovat konformaci i agregaci proteinů přímo ve finálních formulacích.
• Prostorová mapa rozložení biomolekul v prostoru tkáňových řezů s mikrometrovým rozlišením.
• Identifikace mikroorganismů pro sledování kontaminace ve farmaceutické a potravinářské výrobě.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se další rozvoj technik FT-IR zobrazování s vyšším prostorovým rozlišením a rychlejší akvizicí dat. Integrované multimodální mikroskopy kombinující IR, Raman a fluorescenční kanály umožní komplexnější chemickou charakterizaci biomateriálů. Automatizované algoritmy strojového učení pro analýzu spekter a obrazů přinesou zrychlení interpretace dat a širší nasazení v klinické diagnostice a výzkumu bioterapeutik.

Závěr

Application Note AN B407 demonstruje, že FT-IR spektroskopie a mikroskopické zobrazování představují výkonný nástroj pro analýzu konformace proteinů, detekci mikroorganismů i vizualizaci distribuce biomolekul v tkáních. Rychlost, necitlivost na složení formulace a absence nutnosti barvení z této metody činí ideální řešení pro farmaceutický vývoj, bioanalytiku a medicínský výzkum.

Reference

• Application Note AN B407, Bruker Optics GmbH & Co. KG, 2021