ebook Bioanalityka. Tom. I

Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN

Rok wydania: 2020

Bioanalityka, to interdyscyplinarna dziedzina wiedzy, która stanowi szybko rozwijający się obecnie dział chemii analitycznej. Bioanaliza zaczyna odgrywać kluczową rolę w szybko rozwijających się dziedzinach współczesnej bionauki w ramach genomiki, proteomiki, metabolomiki, lipidomiki i innych. Umiejętność doboru odpowiednich metod i narzędzi, w zależności od rodzaju podejmowanego problemu, jest niezwykle ważne i często decyduje o powodzeniu zarówno kolejnych etapów jak i całości badań.

Duże zainteresowanie bioanalityką, w tym kształcenie na poziomie przedmiotów podstawowych i specjalnościowych, jak również funkcjonowanie specjalności „Bioanalityka” na wielu uczelniach, potrzeby laboratoriów klinicznych czy medycyny sądowej, czy kontroli jakości produktów spożywczych i żywności, skłoniły redaktorów naukowych do przygotowania niniejszej książki. Przedstawione w niej zagadnienia będą przydatne studentom i pracownikom naukowym, pracownikom laboratoriów badawczych również z pokrewnych dziedzin.

Książka ta jest opracowaniem zbiorowym, w którym znakomici specjaliści z różnych ośrodków naukowych i badawczych w Polsce przedstawili – potencjał, aplikacje kliniczne i środowiskowe oraz perspektywy dalszego rozwoju bioanalityki.

„Publikacja została przygotowana przez znakomitych analityków o dużym doświadczeniu, często na podstawie przeprowadzanych własnych badań. Podręcznik uwzględnia praktycznie wszystkie aspekty bioanalityki. Prezentuje zarówno zagadnienia teoretyczne związane z interdyscyplinarnym charakterem bioanalityki (badania medyczne i farmaceutyczne, analizę produktów spożywczych i żywnościowych, analizę surowców naturalnych jako źródła substancji aktywnych biologicznych, badania środowiskowe), jak i przedstawia możliwości i potencjalne aplikacje metodologiczne. Jako chemik analityk jestem przekonany, że podręcznik będzie pomocny zarówno studentom i pracownikom naukowym uniwersytetów i politechnik oraz praktykom pracujących w różnego typu laboratoriach medycznych, farmaceutycznych czy środowiskowych. Zaletą książki jest krytyczne podejście do prezentowanego materiału, omawiane są zarówno zalety jak i ograniczenia poszczególnych metodyk analitycznych. W wielu rozdziałach przedstawione zostały tendencje rozwojowe w danej technice analitycznej, np. miniaturyzację stosowanej aparatury badawczej (lab-on-chip).”
Z recenzji prof. Waldemara Wardenckiego

Pierwszy tom składa się z dwóch części:
Część A Bioanaliza jako źródło informacji dla diagnostyki, terapii medycznej i dla celów sądowych
CZĘŚĆ B Surowce naturalne jako źródło substancji biologicznie aktywnych

Spis treści ebooka Bioanalityka. Tom. I

Wykaz podstawowych skrótów XIX
Część I 1
Bioanaliza jako źródło informacji dla diagnostyki, terapii medycznej i dla celów sądowych 1
1. Bioanalityka w transformacji in vitro i in vivo związków biologicznie aktywnych dla potrzeb diagnostyki biomedycznej 3
1.1. Wprowadzenie 3
1.2. Metabolizm związków biologicznie aktywnych 3
1.3. Terapeutyczne monitorowanie leków 4
1.4. Metody analityczne w oznaczaniu i identyfikacji leków w próbkach biologicznych 6
1.5. Dwuwymiarowa chromatografia cieczowa w analizie leków 8
1.6. Zastosowanie elektrochemii oraz spektrometrii mas w naukach „-omicznych” 13
1.7. Biologiczne systemy in vitro do badaniametabolizmu leków 17
1.8. Podsumowanie 18
Podziękowanie 19
Piśmiennictwo 19
2. Badania proteomiczne w diagnostyce chorób neurodegeneracyjnych 23
2.1. Wprowadzenie 23
2.2. Podstawy biologiczne chorób neurodegeneracyjnych 23
2.3. Spektrometria mas (MS) w analizie proteomicznej 25
2.3.1. Strategie w identyfikacji białek 25
2.4. Zastosowanie analizy proteomicznej w badaniach nad schorzeniami neurodegeneracyjnymi 29
2.5. Podsumowanie 30
Piśmiennictwo 30
3. Bioanalityka medyczna – techniki separacyjne w diagnostyce medycznej chorób neurologicznych i zaburzeń na wybranych przykładach 33
3.1. Wprowadzenie 33
3.2. Potencjał bioanalityki medycznej 34
3.3. Klasyfikacja technik bioanalitycznych 35
3.3.1. Techniki separacyjne w diagnostyce medycznej chorób neurologicznych i zaburzeń na wybranych przykładach 36
3.4. Podsumowanie 40
Piśmiennictwo 40
4. Oznaczanie substancji endogennych w matrycach biologicznych 43
4.1. Wprowadzenie 43
4.2. Krew 44
4.3. Mocz 45
4.4. Tkanki 48
4.5. Ślina 50
4.6. Wydychane powietrze 51
4.7. Niekonwencjonalne matryce biologiczne w badaniach bioanalitycznych 52
4.8. Podsumowanie 54
Piśmiennictwo 54
5. Analityka oligonukleotydów antysensownych 57
5.1. Wprowadzenie 57
5.2. Oligonukleotydy antysensowne 57
5.3. Przygotowanie próbek oligonukleotydów antysensownych do analiz chromatograficznych 58
5.3.1. Strącanie białek 58
5.3.2. Rozkład enzymatyczny 58
5.3.3. LLE 59
5.3.4. SPE 59
5.3.5. Hybrydyzacja 60
5.4. Analiza chromatograficzna oligonukleotydów antysensownych 61
5.4.1. IP RP HPLC 61
5.4.2. IEC 63
5.4.3. HILIC 63
5.4.4. SEC 64
5.5. Oznaczanie oligonukleotydów antysensownych 65
5.6. Podsumowanie 69
Podziękowanie 69
Piśmiennictwo 69
6. Analityczna ocena metabolizmu fosfolipidów w warunkach fizjologii i patologii 73
6.1. Wprowadzenie 73
6.2. Ocena lipidomu jako źródła informacji o fizjologii lub patofizjologii komórki i organizmu 73
6.3. Metabolizm fosfolipidów 73
6.4. Przygotowanie materiału biologicznego do analizy fosfolipidów i ich metabolitów 75
6.5. Podejście analityczne do oceny profilu fosfolipidowego w ujęciu klasycznym i wielkoskalowym 77
6.6. Oznaczanie kwasów tłuszczowych (fosfolipidowych i wolnych) 79
6.7. Ocena procesu peroksydacji fosfolipidów 82
6.8. Ocena metabolizmu fosfolipidów zachodzącego z udziałem enzymów 84
6.8.1. Endokanabinoidy 84
6.8.2. Eikozanoidy 86
6.9. Podsumowanie 88
Piśmiennictwo 88
7. Lipidomika – strategie analityczne i zastosowania 91
7.1. Wprowadzenie 91
7.2. Lipidomika 92
7.2.1. Lipidy – struktura chemiczna 92
7.2.2. Techniki oznaczeń końcowych wykorzystywane w lipidomice 94
7.2.3. Techniki przygotowania próbki w lipidomice 97
7.2.4. Strategie analityczne w lipidomice na podstawie spektrometrii mas 98
7.2.5. Lipidomika niecelowana – analiza danych 99
7.3. Lipidomika – zastosowania 102
7.3.1. Lipidomika gronkowca złocistego Staphylococcus aureus 102
7.3.2. Lipidomika mleka kobiecego 107
7.4. Podsumowanie 108
Piśmiennictwo 108
8. Lipidomika w otyłości olbrzymiej 113
8.1. Wprowadzenie 113
8.2. Otyłość olbrzymia – paradoks rozwoju cywilizacyjnego 113
8.3. Lipidy – obszar potencjalnych badań związków bioaktywnych 114
8.3. Ocena zmian profilu kwasów tłuszczowych w surowicy i tkance tłuszczowej u pacjentów z otyłością olbrzymią 117
8.4. Identyfikacja nieznanych lub mało poznanych grup kwasów tłuszczowych – ich rola w patogenezie otyłości olbrzymiej 121
8.5. Podsumowanie 126
Podziękowanie 126
Piśmiennictwo 126
9. Oznaczanie zasadowych leków psychotropowych w płynach biologicznych i tkankach metodą RP-HPLC 129
9.1. Wprowadzenie 129
9.2. Przygotowanie próbek 131
9.2.1. Wirowanie 131
9.2.2. Wytrącanie białka 131
9.2.3. Ekstrakcja ciecz–ciecz 132
9.2.4. Dyspersyjna mikroekstrakcja ciecz–ciecz 133
9.2.5. Ekstrakcja ciało stałe–ciecz 134
9.2.6. Ekstrakcja do fazy stałej 135
9.2.7. Mikroekstrakcja 136
9.2.8. Ekstrakcja wspomagana mikrofalami 136
9.2.9. QuEChERS 137
9.3. RP-HPLC 137
9.3.1. Fazy ruchome zawierające wodę i modyfikator organiczny 137
9.3.2. Fazy ruchome zawierające dodatek soli 137
9.3.3. Fazy ruchome o niskich wartościach pH 137
9.3.4. Fazy ruchome o odczynie zasadowym 141
9.3.5. Fazy ruchome z dodatkiem blokerów grup silanolowych 141
9.3.6. Fazy stacjonarne 141
9.3.7. Rozdzielanie enancjomerów leków psychotropowych 143
9.4. Podsumowanie 143
Piśmiennictwo 143
10. Badania substancji psychoaktywnych stosowanych w dopingu: metody przesiewowe i potwierdzeniowe 147
10.1. Wprowadzenie 147
10.2. Procedury przesiewowe (ITP) 149
10.2.1. Substancje nieprogowe 149
10.2.2. Substancje progowe 150
10.3. Procedury potwierdzeniowe (CPs) 150
10.3.1. Substancje nieprogowe – jakościowe procedury potwierdzeniowe 150
10.3.2. Substancje progowe – ilościowe procedury potwierdzeniowe 151
10.4. Badania substancji psychoaktywnych 151
10.4.1. Metody przesiewowe (ITP) dla substancji psychoaktywnych 151
10.4.2. Metody potwierdzeniowe (CPs) dla substancji psychoaktywnych 152
10.4.3. Pochodne fenyloetyloaminy – modyfikacje 153
10.4.4. Kokaina – interpretacja i czas 155
10.4.5. Morfina i inne środki opioidowe – złożoność metabolizmu 157
10.4.6. Δ9-tetrahydrokanabinol (THC) i syntetyczne kanabinoidy 159
10.4.7. Kilka słów o efedrynach – biotransformacja 160
10.5. Podsumowanie 160
Piśmiennictwo 161
11. Techniki separacyjne w analizie materiału biologicznego na zawartość wybranych związków siarki 163
11.1. Wprowadzenie 163
11.2. Rola w organizmie 163
11.2.1. Niskocząsteczkowe tiole 163
11.2.2. Tiolakton homocysteiny i jego metabolity 164
11.2.3. Albumina i koenzym A 165
11.2.4. Tiosiarczany, siarkowodór i produkty jego przemiany 166
11.3. Problemy towarzyszące oznaczaniu związków siarki 166
11.3.1. Najczęściej analizowany materiał biologiczny 166
11.3.2. Pobieranie i przechowywanie próbek 167
11.3.3. Przygotowanie próbki do analizy 168
11.4. Zastosowanie technik separacyjnych do oznaczania wybranych związków siarki 174
11.4.1. Chromatografia cieczowa 175
11.4.2. Elektroforeza kapilarna 176
11.4.3. Chromatografia gazowa 177
11.5. Podsumowanie 178
Piśmiennictwo 178
12. Zastosowanie chromatografii planarnej w analizie farmaceutycznej i klinicznej 181
12.1. Wprowadzenie 181
12.2. Monitorowanie leków 182
12.3. Wyznaczanie parametrów farmakokinetycznych 184
12.4. Analiza szlaków metabolicznych 185
12.5. Badania przesiewowe w ramach analizy toksykologicznej 185
12.6. Badania czystości enancjomerów 188
12.7. Chromatografia planarna w toksykologii sądowej 191
12.8. Podsumowanie 193
Piśmiennictwo 193
13. Lotne związki organiczne wytwarzane w matrycach biologicznych 197
13.1. Wprowadzenie 197
13.2. Lotne związki organiczne wydzielane przez bakterie 198
13.2.1. Węglowodory 199
13.2.2. Ketony 199
13.2.3. Aldehydy 199
13.2.4. Estry 199
13.2.5. Związki zawierające azot 199
13.2.6. Związki siarki 200
13.2.7. Kwasy organiczne 200
13.2.8. Alkohole, fenole i związki aromatyczne 200
13.2.9. Związki nieorganiczne 201
13.3. LZO jako potencjalne markery chorób 203
13.3.1. Próbki kału 203
13.3.2. Próbki moczu 203
13.3.3. Zainfekowane tkanki 203
13.3.4. Ślina jako matryca w badaniach LZO 204
13.3.5. Potencjalne biomarkery w ślinie 204
13.4. Wydychane powietrze 205
13.5. Podsumowanie 206
Podziękowanie 206
Piśmiennictwo 207
14. Mleko ludzkie a ksenobiotyki 211
14.1. Wprowadzenie 211
14.2. Mleko ludzkie 211
14.3. Zanieczyszczenia środowiskowe 212
14.3.1. Zanieczyszczenia organiczne 213
14.3.2. Metale ciężkie 216
14.3.3. Farmaceutyki 216
14.3.4. Mikotoksyny 218
14.4. Oznaczanie ksenobiotyków w mleku 219
14.5. Podsumowanie 219
Piśmiennictwo 220
15. Wybrane metody instrumentalne w datowaniu plam krwawych dla celów sądowych 223
15.1. Wprowadzenie 223
15.2. Procesy fizykochemiczne towarzyszące degradacji plam krwawych 225
15.3. Metody spektroskopowe wykorzystywane w datowaniu plam krwawych 226
15.3.1. Analiza barwy i spektroskopia UV-Vis 227
15.3.2. Pomiary czasów życia fluorescencji 230
15.3.3. Spektroskopia wibracyjna 231
15.4. Redefiniując problem czasu – zmodyfikowana metodyka datowania względnego 234
15.4.1. Czynniki wpływające na mechanizmy starzeniowe krwi 234
15.4.2. Datowanie śladów krwawych jako problem porównawczy – nowe ujęcie datowania względnego 235
15.5. Podsumowanie 236
Piśmiennictwo 236
16. Badania materiału pochodzenia biologicznego metodami spektrometrii wibracyjnej 239
16.1. Wprowadzenie 239
16.2. Mikrospektroskopia ramanowska w badaniach komórek i tkanek organizmu żywego 239
16.2.1. Mikrospektroskopia ramanowska w badaniach komórek organizmu ludzkiego 239
16.2.2. Dwuwymiarowa analiza korelacyjna w badaniach komórek organizmu ludzkiego 241
16.2.3. Analiza patologicznych erytrocytów w zakażeniu pasożytniczym i bakteryjnym 242
16.2.4. Mikrospektroskopia ramanowska w badaniach zdrowej tkanki mózgowej 243
16.2.5. Mikrospektroskopia ramanowska w badaniach epileptycznej tkanki mózgowej 243
16.3. Badania papieru piśmiennego dla celów kryminalistycznych 244
16.3.1. Starzenie się papieru 245
16.3.2. Metody spektrometryczne badania papieru 246
16.3.3. Różnicowanie próbek papieru na podstawie stanu ich zachowania – badania modelowe 247
16.4. Podsumowanie 250
Piśmiennictwo 251
17. Analiza włosów i jej możliwe zastosowania 253
17.1. Wprowadzenie 253
17.2. Budowa włosa 254
17.3. Cykl życia włosa 255
17.4. Analiza pierwiastkowa włosów jako alternatywa w stosunku do badania krwi i moczu 255
17.5. Przygotowanie próbek włosów przed etapem analizy pierwiastkowej 257
17.6. Różne aspekty wykorzystania włosów ludzkich 259
17.7. Podsumowanie 270
Piśmiennictwo 270
18. Bioobrazowanie pierwiastków w tkankach klinicznych techniką LA-ICPMS 273
18.1. Wprowadzenie 273
18.2. Aspekty techniczne analizy próbek klinicznych 274
18.3. Kalibracja w metodzie LA-ICPMS 274
18.4. Bioobrazowanie pierwiastków w próbkach klinicznych 275
18.4.1. Badanie błony śluzowej jamy ustnej po implantacji zęba 275
18.4.2. Badanie naczyń krwionośnych pobranych od chorych na miażdżycę 278
18.4.3. Badanie migracji pierwiastków z wypełnień stomatologicznych do tkanek twardych zębów: szkliwo i zębina 280
18.5. Podsumowanie 283
Piśmiennictwo 283
19. Oznaczanie w materiale biologicznym produktów przemian metabolicznych wybranych mutagennych i kancerogennych związków organicznych powstających w termicznie przetwarzanej żywności 287
19.1. Wprowadzenie 287
19.2. Heterocykliczne aminy aromatyczne (HAA) 287
19.2.1. Aktywność mutagenna i kancerogenna heterocyklicznych amin aromatycznych 288
19.2.2. Narażenie człowieka na HAA 288
19.2.3. Oznaczanie HAA, ich metabolitów i adduktów w materiale biologicznym 289
19.3. Akrylamid (AA) 293
19.3.1. Aktywność biologiczna akrylamidu 294
19.3.2. Oznaczanie AA i produktów jego przemian metabolicznych w materiale biologicznym 294
19.4. Podsumowanie 295
Piśmiennictwo 296
20. Wybrane rośliny lecznicze jako źródło związków biologicznie aktywnych 301
20.1. Wprowadzenie 301
20.2. Materiał roślinny jako surowiec 302
20.3. Pierwotne i wtórne metabolity roślinne 303
20.3.1. Charakterystyka olejków eterycznych i sposoby ich pozyskiwania 306
20.3.2. Polifenole – źródła pochodzenia i właściwości 308
20.3.3. Alkaloidy roślinne 310
20.3.4. Saponiny jako związki biologicznie aktywne 311
20.4. Ważniejsze metodyki wyodrębniania i oznaczania substancji czynnych w surowcach roślinnych 313
20.5. Podsumowanie 315
Piśmiennictwo 316
21. Analizy metabolomiczne naturalnych surowców leczniczych 319
21.1. Wprowadzenie 319
21.2. Metody analityczne w analizie związków biologicznie czynnych pochodzenia naturalnego 319
21.3. Surowce naturalne o potencjalnych właściwościach leczniczych 320
21.3.1. Aloes 320
21.3.2. Cannabis sativa 322
21.3.3. Lucilia sericata 323
21.3.4. Chorthippus spp 325
21.3.5. Tran 326
21.3.6. Miód manuka 327
21.4. Podsumowanie 328
Piśmiennictwo 329
22. Flawonoidy chiralne – metody enancjoseparacji i wydzielania mieszanin polifenoli 333
22.1. Wprowadzenie 333
22.2. Flawonoidy – budowa i podział 334
22.3. Enancjomery flawonoidów – w bioanalityce 334
22.3.1. Analityka chiralnych flawonoidów 336
22.4. Analityka mieszanin flawonoidów niechiralnych 341
22.4.1. Wydzielanie polifenoli z materiału roślinnego 341
22.4.2. Oczyszczanie ekstraktów roślinnych 343
22.4.3. Oznaczanie polifenoli w ekstraktach roślinnych 344
22.5. Podsumowanie 345
Piśmiennictwo 345
23. Oznaczanie związków fenolowych pochodzenia roślinnego w próbkach biologicznych 349
23.1. Wprowadzenie 349
23.2. Ogólna charakterystyka związków fenolowych pochodzenia roślinnego 349
23.2.1. Właściwości przeciwutleniające 349
23.2.2. Biodostępność i bioprzyswajalność 351
23.3. Metody analityczne stosowane do oznaczania związków fenolowych w materiałach biologicznych 353
23.3.1. Przygotowanie próbek do analizy 353
23.3.2. Metody oznaczania związków fenolowych 354
23.4. Podsumowanie 361
Piśmiennictwo 361
Część II 299
Surowce naturalne jako źródło substancji biologicznie aktywnych 299
24. Chromatografia cienkowarstwowa w analizie substancji roślinnych 363
24.1. Wprowadzenie 363
24.1.1. Techniki jednowymiarowe 364
24.1.2. Techniki wielowymiarowe 365
24.1.3. Inne techniki planarne 366
24.2. Chromatograficzny „odcisk palca” substancji roślinnych metodą TLC 367
24.3. Techniki przetwarzania obrazu w analizie ekstraktów roślinnych metodą TLC 369
24.4. Badanie właściwości antyoksydacyjnych metodą chromatografii cienkowarstwowej 369
24.5. Detekcja inhibitorów wybranych enzymów 372
24.5.1. Wykrywanie inhibitorów acetyloi butyrylocholinoesterazy 372
24.5.2. Wykrywanie inhibitorów α- i β-glukozydazy 374
24.5.3. Wykrywanie inhibitorów innych enzymów 374
24.6. Detekcja związków o działaniu bakteriobójczym 375
24.6.1. Metody bioautograficzne 376
24.6.2. Szczepy bakteryjne stosowane w detekcji bioautograficznej 376
24.6.3. Dokumentacja bioautogramów i analiza danych 378
24.6.4. Zastosowanie analityczne metod bioautograficznych 379
24.7. Podsumowanie 382
Piśmiennictwo 383
25. Mechanizmy obronne roślin i kompromis ewolucyjny: analityka na styku chemii i biologii 389
25.1. Wprowadzenie 389
25.2. Mechanizmy obronne roślin 389
25.3. Metabolity wtórne i rola analityki chemicznej w badaniu kompromisu ewolucyjnego 392
25.4. Obrona chemiczna dzikich i uprawnych gatunków pomidorów 394
25.5. Podsumowanie 397
Piśmiennictwo 397
26. Metalonanomateriały w matrycach biologicznych 401
26.1. Wprowadzenie 401
26.2. Metalonanomateriały oraz ich występowanie w matrycach biologicznych 402
26.2.1. Występowanie w tkankach roślinnych 402
26.2.2. Nanomateriały teranostyczne 403
26.3. Obrazowanie metalonanomateriałów w tkankach roślinnych i materiałach fizjologicznych 404
26.3.1. Techniki mikroskopowe 404
26.3.2. Techniki spektroskopowe/spektrometryczne 405
26.4. Charakteryzowanie metalonanomateriałów i ich form w tkankach roślinnych i materiałach fizjologicznych 407
26.4.1. Techniki spektrometryczne/spektroskopowe (ICP-MS, ICP-OES, SP-ICP-MS, XANES, DLS) 407
26.4.2. Techniki łączone (CE-/HPLC-/HDC-/FFF‑ICP- MS/OES) 408
26.5. Podsumowanie 411
Podziękowanie 411
Piśmiennictwo 411
27. Bioanalityka jako narzędzie wspomagające wytwarzanie żywności funkcjonalnej 415
27.1. Wprowadzenie 415
27.2. Wytwarzanie żywności funkcjonalnej 415
27.3. Spektrometria mas w analizie związków biologicznie czynnych 417
27.3.1. Identyfikacja niskocząsteczkowych związków selenu 418
27.4. Podsumowanie 426
Piśmiennictwo 428
28. Skład chemiczny wosków powierzchniowych owadów: funkcje biologiczne i analityka 431
28.1. Wprowadzenie 431
28.2. Funkcje biologiczne wosków powierzchniowych owadów 431
28.2.1. Ochrona przed utratą wody 432
28.2.2. Chemiczna komunikacja, feromony 432
28.2.3. Ochrona przed entomopatogennymi mikroorganizmami 434
28.3. Analityka wosków powierzchniowych 436
28.3.1. Ekstrakcja wosków powierzchniowych 436
28.3.2. Rozdzielanie wosków na poszczególne grupy 437
28.3.3. Analiza jakościowa i ilościowa 437
28.4. Podsumowanie 443
Piśmiennictwo 444