Проблеми ідентифікації пародонтопатогенної мікрофлори та можливість їх вирішення за допомогою математичного моделювання ефективного діелектричного відгуку на прикладі S. aureus (референсного штаму)

Автор(и)

  • Анатолій Володимирович Гончаренко
  • Валерій Георгійович Бургонський
  • Святослав Ігорович Миколайчук

DOI:

https://doi.org/10.33295/1992-576X-2020-5-30

Ключові слова:

імпедансна спектроскопія, пародонтит, пародонтопатогени, математичне моделювання, спектральна модель Бергмана-Мілтона, діелектричний відгук суспензій бактерій, S. Aureus

Анотація

Мета даного дослідження полягала у створенні багатопараметричної математичної моделі, що описує діелектричнийвідгук суспензій золотистого стафілокока для використання її в подальшому з метою інтерпретації діелектричних спектрів та визначення параметрів пародонтопатогенної мікрофлори, що дало б змогу оптимізувати діагностичні процеси в пародонтології.
Матеріали та методи. Виконане дослідження було основане на застосуванні аналітичного спектрального подання Бергмана-Мілтона для ефективного діелектричного відгуку, узагальненого на випадок включень (бактерій), що можуть бути модельовані як сфероїди з оболонками. Розроблене програмне забезпечення з використанням пакета прикладних програм Matlab дозволило визначити ефективну діелектричну проникність і діелектричні втрати як функцію матеріальних і геометричних параметрів бактеріальної суспензії. Матеріальні параметри та розміри включень (бактерії Staphylococcus aures – S. Aureus) було взято з літературних джерел, геометричні параметри, що характеризують форму, розглядались як варійовані змінні моделі. З метою ілюстрації застосування методу, було використано функцію спектральної густини найпростішого виду - однорідний розподіл сфероїдальних форм з медіаною, що відповідає сферичній формі.
Результати. Були розраховані спектри дійсної та уявної частини ефективної діелектричної функції εeff водних суспензій S. Aureus у діапазоні частот 1–104 Кгц при різних значеннях параметра несферичності, що характеризує флуктуації форми бактерій навколо сферичної. Показано, що флуктуації форми здатні суттєво вплинути на Re εeff лише на низьких частотах, де вони підвищують Re εeff. Hа високих частотах флуктуації форми лишe несуттєво знижують Re εeff. Уявна частина ефективної діелектричної проникності (діелектричні втрати) демонструє слабку залежність від параметра несферичності у всьому діапазоні частот. Інші розрахунки свідчать, що зростання електропровідності плазмової мембрани, що характеризує загиблі бактерії S. Aureus, супроводжується помітним зниженням Re εeff на частотах, нижчих за 1 Мгц.
Висновок. Hа прикладі S. Aureus ми продемонстрували застосування узагальненої спектральної моделi ефективного діелектричного відгуку для інтерпретації діелектричних спектрів патогенних мікроорганізмів. Простота і аналітичність моделі роблять її зручним і перспективним інструментом для біофізичних і медичних досліджень. Узагальнена спектральна модель може бути використана як для розв’язання прямої задачі, тобто визначення впливу матеріальних та геометричних параметрів бактерій на діелектричні спектри, так і оберненої задачі, тобто знаходження параметрів моделі шляхом обробки діелектричних спектрів, отриманих в результаті експерименту.
Ключові слова: імпедансна спектроскопія, пародонтит, пародонтопатогени, математичне моделювання, спектральна модель Бергмана-Мілтона, діелектричний відгук суспензій бактерій, S. Aureus.

Біографії авторів

Анатолій Володимирович Гончаренко

Гончаренко Анатолій Володимирович – канд. фіз.-мат. наук,
старший науковий співробітник Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.
Адреса: 03028, Київ, проспект Науки, 41.
Тел.: (068)3094867. E-mail: avg@isp.kiev.ua.

Валерій Георгійович Бургонський

Бургонський Валерій Георгійович – кандидат мед. наук,
доцент кафедри стоматології Інституту стоматології НМАПО імені П.Л. Шупика.
Адреса: 03150, м. Київ, вул. Пимоненка, 10а.
Тел.: (067)9964062. E-mail: burhonskyy@gmail.com.

Святослав Ігорович Миколайчук

Миколайчук Святослав Ігорович – аспірант кафедри стоматології Інституту стоматології НМАПО імені П.Л. Шупика.
Адреса домашня: Київська область, Києво-Святошинський р-н., с. Софіївська Борщагівка 08131, вул. Соборна 103/10 кв. 78.
Тел.: (068)9469257. E-mail: 9mars@ukr.net

Посилання

1. GBD 2015. Disease and Injury Incidence and Prevalence Collaborators (2016). Global, regional, and national incidence, prevalence, and years lived with disability
for 310 diseases and injuries, 1990-2015: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2015. Lancet (London, England), 388 (10053), 1545–1602.
https://doi.org/10.1016/S0140-6736(16)31678-6
2. Quantitative detection of Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis and Pseudomonas aeruginosa in human oral epithelial cells from subjects with periodontitis
and periodontal health Andrea V. Colombo, Graziela M. Barbosa, Daniela Higashi, Giorgio di Micheli, Paulo H Rodrigues 1 and Maria Regina L Simionato.
Journal of Medical Microbiology (2013), 62, 1592–1600; https://doi.org/10.1099/jmm.0.055830-0
3. Prevalence of periodontal disease, its association with systemic diseases and prevention. Nazir MA. International Journal of Health Sciences. 2017; 11 (2): 72–80
4. Analysis of transcription of the Staphylococcus aureus aerobic class Ib and anaerobic class III ribonucleotide reductase genes in response to oxygen. Masalha
M, Borovok I, Schreiber R, Aharonowitz Y, Cohen G. Journal of Bacteriology. 183 (24): 7260–72. doi:10.1128/JB.183.24.7260-7272.2001
5. Rychard Dzh Lamont, Robert A Berne, Merylyn S Lantts. Mykrobyologyia i immunologyia dlia stomatologov. Pod red prof VK Leonteva. Moskva, 2010, 502 p.
[In Russian]
6. Burgonskyi V, Mykolaichuk S. Photoactivated Disinfection and Backscattered Indicatrix Use for Follow-Up and Diagnostics of Generalized Periodontal Disease.
Materials of 7 EUROPEAN DIVISION CONGRESS OF THE WFLD, 20–22 June 2019, Parma, Italy
7. Madigan MT, Martinko J, Stahl D, Clark D. Brock Biology of Microorganisms, 13-th ed. Benjamin Cummings, San Francisco, 2012
8. Bissonnette L, Bergeron MG. POC Tests in Microbial Diagnostics. In: Sails A, Tang Y-W (Eds), Methods in Microbiology. Elsevier, 2015, pp. 87–110
9. Hulme J. Recent advances in the detection of methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA). BioChip J. 11, 89–100 (2017)
10. Flores-Cosio G, Herrera-Lopez EJ, Arellano-Plaza, Gschadler-Mathis A, Kirchmayr M, Amaya-Delgado L. Application of dielectric spectroscopy to unravel the
physiological state of microorganisms: current state, prospects and limits. Appl Microbiol Biotechnol. 104, 6101-6113 (2020)
11. Dmytruk NL, Goncharenko AV, Venger EF. Optics of Small Particles and Composite Media. Kyiv, Naukova Dumka, 2009
12. Goncharenko AV and Chang YC. Effective dielectric properties of biological cells: Generalization of the spectral density function approach. J. Phys. Chem. B,
113, 9924–9931 (2009)
13. Sanchis A, Brown AP, Sancho M, Martinez G, Sebastian JL, Munoz S, Miranda JM. Dielectric characterization of bacterial cells using dielectrophoresis. Bioelectromagnetics
28, 393–401 (2007).
14. Chen Q, Cao Z, Yuan YJ. Study on non-bioparticles and Staphylococcus aureus by dielectrophoresis. RSC Adv. 10, 2598–2614 (2020).

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-12-28

Номер

Розділ

ПАРОДОНТОЛОГІЯ