Габриелян химия 11 кл габриелян: Книга: «Химия. 11 класс. Учебник. Базовый уровень. Вертикаль. ФГОС» — Олег Габриелян. Купить книгу, читать рецензии | ISBN 9785358169074

Автор, отвечающий за переписку. См. Другие статьи в PMC, в которых цитируется опубликованная статья.

Реферат

Цель обзора

Открытие Helicobacter pylori и других организмов, колонизирующих желудок и кишечник, пролило некоторый свет на важность микробиома в поддержании общего состояния здоровья и развитии патологических состояний, когда присутствуют изменения в биоразнообразии. Кислотность желудочного сока играет решающую роль в фильтрации бактерий и предотвращении развития кишечных инфекций.В этой статье мы обсуждаем физиологию секреции желудочного сока и вклад бактерий в состав желудочных и кишечных барьеров, а также проводим обзор современной литературы о роли ингибиторов протонной помпы (ИПП) в микробном биоразнообразии желудочно-кишечного тракта.

Недавние открытия

Культурально-независимые методы, такие как секвенирование 16S рРНК, революционизировали наше понимание микробного биоразнообразия в желудочно-кишечном тракте. Популяции микробов, связанных с просветом и слизистой оболочкой, не идентичны. Streptococcus чрезмерно широко представлен в биоптатах пациентов с антральным гастритом и также может быть ответственным за развитие язвенной болезни. Использование ИПП способствует относительному распространению стрептококков независимо от статуса H. pylori и может объяснить сохранение диспептических симптомов у пациентов, получающих терапию ИПП. Повышенный риск кишечных инфекций также наблюдался у пациентов, принимающих ИПП. Чрезмерное использование ИПП приводит к значительному сдвигу микробиома желудочно-кишечного тракта в сторону менее здорового состояния.

Резюме

С появлением ИПП многие исследования продемонстрировали значительные изменения микробного состава как желудочной, так и кишечной микробиоты. Хотя они считаются относительно безопасными лекарствами, отпускаемыми без рецепта, ИПП во многих случаях используются без рецепта и даже не по назначению. Следует поощрять будущие исследования по оценке безопасности ИПП и их роли в развитии изменений микробиома.

Ключевые слова: Микробиом, Микробиота, Желудочно-кишечный тракт, Ингибиторы протонной помпы (ИПП), Helicobacter pylori

Физиология секреции желудочной кислоты

Регуляция секреции желудочной кислоты (1) традиционно делится на три фазы: головной, (2) желудочный и (3) кишечный.[1] Головная фаза начинается до того, как пища попадает в желудок. Такие стимулы, как запах, вкус, зрение и даже мысли о еде, отправляются в нервную систему, где они обрабатываются. Высвобождение нейротрансмиттера ацетилхолина эфферентными волокнами блуждающего нерва оказывает стимулирующее действие на секрецию кислоты желудочного сока через мускариновые рецепторы M3, обнаруженные на париетальных клетках кислородных желез. Гистаминпродуцирующие энтерохромаффиноподобные (ECL) клетки также могут напрямую регулироваться полипептидом, активирующим аденилатциклазу гипофиза (PACAP), который связывается с его рецептором PAC1, обнаруженным на клетках ECL.[2] Желудочная фаза секреции кислоты регулируется центрально и периферически. Химический состав пищи напрямую стимулирует секрецию желудочного сока. Например, аминокислоты стимулируют, тогда как жиры и углеводы ингибируют высвобождение гастрина G-клетками. Интересно, что было обнаружено, что два активных соединения (A и B), содержащиеся в пиве, могут напрямую стимулировать мускариновые рецепторы M3 на париетальных клетках. [3] Расширение желудка может оказывать стимулирующее или ингибирующее действие на секрецию желудочного сока, в зависимости от степени расширения.Низкая степень растяжения активирует нейроны вазоактивного кишечного пептида (VIP), которые, в свою очередь, стимулируют секрецию соматостатина, что приводит к снижению продукции гастрина G-клетками. В качестве альтернативы, растяжение более высокой степени приводит к привлечению холинергических нейронов и, следовательно, к повышенной секреции кислоты желудочного сока. [4] Кишечная фаза секреции кислоты желудочного сока происходит, когда химус достигает двенадцатиперстной кишки. Его вклад в регуляцию секреции кислоты желудочного сока минимален и вызывается в основном за счет энтерогастрального рефлекса.Неизвестно, участвует ли в этом процессе микробиом или метаболом. Результатом активации этого рефлекса является подавление секреции желудочного сока. [5]

В регуляции секреции кислоты желудочного сока участвуют различные пути: (1) нервная (вагусная), (2) гормональная (гастрин) и (3) паракринная (гистамин, соматостатин). [6, 7] Основной стимулирующий эффект парасимпатической нервной системы обусловлен связыванием рецепторов M3 на париетальных клетках. [8] Недавно было показано, что активация рецепторов M4, обнаруженных на D-клетках (ответственных за секрецию соматостатина), может косвенно усиливать секрецию кислоты желудочного сока путем ингибирования высвобождения соматостатина.[9] Гастрин — главный гормональный регулятор секреции желудочного сока. Он секретируется G-клетками желудка, которые расположены в антральном отделе. [10] Гастрин может стимулировать выработку кислоты в желудке с помощью двух различных механизмов. Его основное действие (косвенный механизм) заключается в связывании с рецепторами холецистокинина-2 (CCK-2), обнаруженными на клетках ECL. Кроме того, гастрин может напрямую стимулировать связывание секреции кислоты желудочного сока с рецепторами CCK-2 на париетальных клетках. [11] Основным паракринным стимулятором секреции желудочного сока является гистамин.Он высвобождается из клеток ECL, которые расположены в кислородной оболочке или слизистой оболочке тела. Главный активирующий сигнал для ECL исходит от гастрина, как показано на рис. Другой заслуживающий внимания механизм, который был описан ранее, — это связывание PACAP с рецепторами PAC1 на клетках ECL. Как мощный стимулятор желудочной секреции, гистамин связывается с рецепторами h3, экспрессируемыми на париетальных клетках. Более того, было показано, что гистамин ингибирует секрецию соматостатина посредством связывания с рецепторами h4. [12] Соматостатин, высвобождаемый из D-клеток желудка, оказывает ингибирующее действие на секрецию гистамина и гастрина клетками ECL и D-клетками соответственно.[13] Его прямое негативное влияние на секрецию желудочного сока имеет меньшее значение. Синтез соматостатина усиливается гастрином и желудочной кислотой, а также активацией VIP. Парасимпатическая нервная система снижает высвобождение соматостатина из D-клеток. [9] В литературе описаны и другие вещества, которые могут либо стимулировать (гастрин-высвобождающий пептид (GRP), грелин), либо ингибировать (грелин, секретин, холецистокинин (CCK) и лептин) секрецию желудочной кислоты (). [14–18]

Физиология секреции желудочного сока

Эти разнообразные входы интегрируются париетальными клетками для регулирования рекрутирования H ⁺ K ⁺ -АТФазы (протонный насос) на поверхность клетки.Это гетеродимерный белок, содержащий субъединицы α (каталитическая) и β. Последний отвечает за N-гликозилирование, которое включает сборку, созревание и сортировку фермента. [19] Его функция заключается в обмене просветных ионов K ⁺ на цитоплазматические ионы H ⁺ в соотношении 1: 1. [20] Это энергозависимый транспорт, управляемый гидролизом АТФ. В состоянии покоя H ⁺ K ⁺ -АТФазы расположены во внутриклеточных канальцев-пузырьках. [21] При стимуляции эти тубуловезикулы сливаются с апикальной мембраной, содержащей многочисленные канальцы.Это значительно увеличивает площадь поверхности плазматической мембраны и, следовательно, количество протонных насосов, способных к ионному обмену. Хлорид-ионы также являются неотъемлемой частью соляной кислоты. Они могут пересекать апикальную мембрану париетальных клеток из-за их внутрицитоплазматического избытка, который, в свою очередь, является результатом внутрицитоплазматического обмена HCO ₃ ^— на Cl ^— в сыворотке через обменники хлорид / бикарбонат. [22]

Фармакология действия PPI

Открытие протонной помпы и признание ее первостепенной роли в секреции кислоты желудочного сока привело к разработке класса лекарств, известных как ингибиторы протонной помпы (ИПП).Структурно почти все они представляют собой замещенные бензимида-азолы. [23] Единственным исключением является относительно новый тенатопразол PPI, молекула которого содержит имидазопиридиновый скелет. [24] Это различие в химической структуре способствует более длительному периоду полувыведения тенатопразола из плазмы по сравнению с другими ИПП. [25] ИПП представляют собой пролекарства, которые могут быть активированы только в кислой среде, где они превращаются в свои протонированные активные формы: сульфонамид и сульфеновую кислоту. Эти тиофильные соединения могут связываться с SH-группой цистеинсодержащих частей активных H ⁺ K ⁺ -АТФаз.Это взаимодействие приводит к относительно стабильной ковалентной дисульфидной связи. [26] Хотя разные PPI связываются со своими специфическими SH-группами в разных сайтах фермента, было обнаружено, что все они реагируют с одним общим сайтом, которым является Cys813. [27] Поскольку ИПП могут только ковалентно подавлять активные насосы, им требуется несколько дней для достижения устойчивого ингибирования секреции кислоты. Ингибирующая активность ИПП напрямую коррелирует со стабильностью связывания ИПП. Было показано, что ферментативная активность протонных насосов может быть восстановлена ​​восстановителем, таким как глутатион.Другой способ восстановления секреции желудочного сока — синтез протонных насосов de novo. [28] Ингибирующий эффект ИПП зависит от дозы и приводит к снижению секреции как основной, так и стимулированной секреции кислоты желудочного сока. Кроме того, было обнаружено, что площадь под кривой (AUC) коррелирует с активностью ИЦП. [29] И наоборот, уровень препарата в плазме не имеет никакого отношения к его ингибирующему потенциалу. [26] Все ИПП рекомендуется принимать один раз в день, обычно утром перед завтраком.[30] Наличие инфекции H. pylori , поражающей преимущественно тело желудка, может значительно повлиять на активность ИПП. Было обнаружено, что у пациентов с H. pylori может наблюдаться усиленный контроль внутрижелудочного pH, который в основном наблюдается в течение ночи. Следовательно, у пациентов с инфекцией H. pylori меньше вероятность развития ночного прорыва желудочного сока. [31]

Метаболизм ИПП, происходящий в печени, регулируется двумя ферментами семейства цитохрома P450 (cytP450): CYP2C19 и CYP3A4.[32] Омепразол представляет собой рацемическую молекулу, которая может существовать в виде двух энантиомеров: R -омепразол и S -омепразол. Выявлено, что последний имеет меньшую чувствительность к действию CYP2C19. Это свойство отвечает за повышенную концентрацию в плазме, а также за более высокую AUC эзомепразола ( S -омепразол). [33, 34] Генетические вариации CYP2C19 вносят вклад в различия в ингибирующей активности ИПП. Например, инактивирующие мутации CYP2C19 были описаны в азиатских популяциях.[35] От 15 до 20 процентов азиатов и 2–6% кавказцев известны как «медленные метаболизаторы». [36]

Микробиом желудка

До открытия H. pylori в 1982 году Маршаллом и Уорреном кислая среда желудка считалась стерильной. [37] Фактически, это открытие не только помогло лечить пациентов с различными состояниями, в которых H. pylori считается возбудителем, но также пролило свет на возможность того, что в желудке обитают другие бактерии.Комбинация как (1) H. pylori , так и (2) других комменсальных организмов составляет микробиом желудка.

Helicobacter pylori

Почти половина населения мира является носителем H. pylori . [38] В последние десятилетия во многих странах наблюдается снижение распространенности, что можно объяснить улучшением социально-экономических условий. [39] В США McJunkin et al. наблюдали резкое снижение распространенности H. pylori в популяции, направленной на эндоскопию за 10-летний период (с 65.8 до 6,8%). [40] Однако в развивающихся странах вирус H. pylori все еще очень распространен, а в некоторых странах его распространенность достигает 80%. [41] Наиболее вероятным способом передачи, который неоднократно упоминался в литературе, является контакт от человека к человеку. [42, 43] Несмотря на то, что желудок представляет собой чрезвычайно враждебную среду для большинства бактерий, H. pylori может сохраняться в желудочной нише. Интересно, что желудок — единственная известная среда обитания H.pylori . После того, как H. pylori колонизирует слизистую желудка, она становится преобладающим видом микробиома желудка. [44] H. pylori — грамотрицательная спиралевидная микроаэрофильная жгутиковая бактерия. [45] Механизм уникальной адаптации H. pylori к выживанию и размножению в желудочной среде был широко описан: (1) уреазная активность, (2) способность H. pylori проникать через желудочную слизь. слой (спиральная форма и наличие жгутиков, муколитических ферментов и выработка муцина хозяина) и (3) связывание бактериальных поверхностных адгезинов с соответствующими рецепторами эпителиальных клеток желудка.[46, 47] Уникальное взаимодействие с рецепторами желудка может объяснить, почему H. pylori колонизирует исключительно эпителий желудка. [48] ​​У каждого носителя H. pylori в конечном итоге разовьется хронический гастрит. Следует отметить, что в большинстве случаев воспаление протекает бессимптомно, и больные никогда не обращаются за медицинской помощью. Только у 15% инфицированных пациентов разовьются симптомы, связанные с H. pylori . [49] В зависимости от расположения пораженной части желудка можно ожидать различных изменений секреции желудочной кислоты.Гастрит с преобладанием антрального отдела желудка характеризуется недостаточностью продукции антрального соматостатина, что приводит к индуцированной гастрином повышенной секреции кислоты желудочного сока. И наоборот, у пациентов с пангастритом или гастритом с преобладанием тела желудка развивается обширная атрофия желудка, приводящая к гипо- и ахлоргидрии и, следовательно, к снижению секреции кислоты желудочного сока. [50] Известно, что с присутствием H. pylori в слизистой оболочке желудка связаны различные состояния: острый и хронический гастрит, язвенная болезнь, неязвенная диспепсия, атрофический гастрит, кишечная метаплазия и аденокарцинома желудка, а также слизистая оболочка желудка. -ассоциированная лимфоидная ткань (MALT) лимфома.[51–54] Несколько внегастродуоденальных заболеваний также были связаны с H. pylori и включают железодефицитную анемию, склеродермию, розацеа, атеросклероз и аутоиммунное заболевание щитовидной железы. [55] Стоит упомянуть, что H. pylori обладает защитным действием против гастроэзофагеального рефлюкса (ГЭРБ) и рака пищевода. Например, сообщалось, что более вирулентные cagA-положительные штаммы и провоспалительные генотипы гена IL-1β приводят к атрофии желудка, что, в свою очередь, приводит к гипохлоргидрии, способствующей защите слизистой оболочки пищевода.[56] Защитные свойства H. pylori при астме и аллергии также хорошо известны. [57] В настоящее время доступны как неинвазивные, так и инвазивные методы обнаружения H. pylori . Первые включают дыхательный тест с мочевиной, тест на фекальный антиген и тест на H. pylori -специфический IgG. Эндоскопия с последующей биопсией нескольких участков желудка (два по малой кривизне, два по большой кривизне и одна из угловой вырезки) также используется у выбранной группы пациентов.[58] Хотя методы культивирования считаются золотым стандартом для диагностики H. pylori , они имеют несколько существенных ограничений: (1) низкая чувствительность, (2) высокая стоимость и (3) медленный рост в культуре ( H pylori — привередливый организм). [59] Фактически, ПЦР образцов биопсии, слюны и кала широко используется с чувствительностью и специфичностью, приближающейся к 100%. [60] Однако из-за обширного полиморфизма генов H. pylori возможность применения ПЦР иногда считается сомнительной.Выявлено, что H. pylori -специфическая область последовательности 16S рибосомной РНК является уникальной для большинства штаммов H. pylori и, следовательно, может использоваться для качественной и количественной оценки присутствия H. pylori в биологической среде. образцы. [61]

Другие комменсальные организмы

Хотя открытие H. pylori в 1982 году положило конец спорам о возможности бактериальной колонизации желудка, выявить другую потенциальную микрофлору желудка по-прежнему было непросто.Несомненно, многие штаммы бактерий ( Streptococcus , Neisseria , Lactobacillus и другие) неоднократно обнаруживались в желудочной жидкости. Однако было трудно установить, являются ли эти бактерии просто «гостями» в желудке (временный микробиом) или постоянными колонизаторами. Фактически, бактерии могут попасть в желудок из полости рта. [62] Чтобы определить, могут ли эти бактерии колонизировать желудочную среду, исследования перешли от изучения желудочного сока к бактериальным штаммам в слизистой оболочке желудка.Эти компартменты имеют разные микробные составы, так как Firmicutes , Bacteroidetes и Actinobacteria являются обычными обитателями желудочного сока, в то время как слизистая оболочка желудка преимущественно колонизирована Firmicutes и Proteobacteria . [44] В последние годы секвенирование 16S рРНК использовалось для характеристики состава желудочного микробиома независимым от культуры способом, что позволяет избежать ограничений более ранних исследований, которые могли обнаруживать только бактерии, которые можно культивировать с помощью современных методов.[63] В своем исследовании Bik et al. идентифицировали 128 филотипов у 23 субъектов и показали, что наиболее распространенные бактерии слизистой оболочки желудка принадлежат к следующим пяти типам: Actinobacteria , Bacteroidetes , Firmicutes , Proteobacteria (включая H. pylori ) и Фузобактерии . Примечательно, что, хотя Proteobacteria был преобладающим типом у H. pylori -положительных субъектов (около 96% всех бактерий), оставшиеся четыре типа также постоянно выявлялись независимо от H.pylori статус. [44] В другом исследовании Li et al. проанализировали биопсию тела и антрального отдела у пяти здоровых людей и пяти пациентов с гастритом, не связанным с H. pylori и не принимающим НПВП (NHNN). [64] Они определили, что наиболее распространенными родами бактерий являются следующие: Streptococcus (тип Firmicutes ), Prevotella и Porphyromonas ( Bacteroidetes ) и Prote Neisseria и 116 Neisseria Haemo и 116. ).В этой небольшой когорте тип Firmicutes (в первую очередь род Streptococcus ) был чрезмерно представлен в биоптатах пациентов с антральным гастритом. Следует отметить, что Streptococcus и Prevotella также оказались наиболее распространенными родами Helicobacter , отличными от , в ранее упомянутом исследовании Bik et al. Недавно наличие Streptococcus было связано с язвенной болезнью. [65 •] Авилес-Хименес и др. обнаружили доказательства постепенного изменения микробного разнообразия желудка у пациентов от неатрофического гастрита (NAG) до кишечной метаплазии (IM) и рака желудка (GC).Авторы пришли к выводу, что по мере прогрессирования опухолевых изменений среда желудка становится менее благоприятной для бактериальной колонизации. [66] Результаты этих и других исследований показывают, что общий состав желудочного микробиома довольно схож среди людей из разных этнических и географических групп населения. [67, 68]

Взаимосвязь между H. pylori и другими комменсальными организмами

Интуитивно можно предположить, что популяция желудочного микробиома должна оказывать влияние на течение заболеваний, вызываемых H.pylori . Например, было показано, что идентичные линии мышей от разных производителей проявляли разную реакцию после заражения H. pylori. [69 ••] В исследовании с монгольскими песчанками было продемонстрировано, что три вида Lactobacillus ( L. reuteri , L. johnsonii и L. murinus ) оказывали ингибирующее действие на рост из H. pylori . Точно так же у людей было обнаружено, что два штамма L. reuteri обладают сильным противомикробным действием против H.pylori , а также сильные антиоксидантные свойства. [70] Кроме того, было обнаружено, что Streptococcus mitis ингибирует рост H. pylori , что приводит к превращению последнего в кокковидные клетки. [71] Влияние H. pylori на состав желудочного микробиома было оценено в нескольких исследованиях. Некоторые из них пришли к выводу, что у пациентов с отрицательной реакцией на H. pylori наблюдается большее разнообразие бактерий. [72] Напротив, другие исследования не обнаружили каких-либо изменений в бактериальной сложности желудка независимо от H.pylori статус. [65 •] Недавно Brawner et al. охарактеризовала микробиоту желудка 86 детей и взрослых. Данные этого исследования показывают, что статус H. pylori был связан только со значительными различиями в бактериальном составе желудка у детей. Кроме того, было обнаружено, что детей с положительной реакцией на H. pylori имеют более разнообразную желудочную микробиоту, большую численность не- Helicobacter Proteobacteria и меньшую численность Firmicutes , чем H.pylori — взрослые положительные. [73] Llorca et al. охарактеризовали микробиоту желудка у H. pylori -положительных и H. pylori -отрицательных детей. Они сообщили о более высоком микробном разнообразии и богатстве у H. pylori -отрицательных субъектов. [74] Было высказано предположение о нескольких факторах, которые могут объяснить сдвиги в микробиоме желудка при инфицировании H. pylori : [1] повышенный рН желудка вторичный по отношению к длительной инфекции H. pylori способствует колонизации транзиторных бактерий, [ 2] аммиак и бикарбонат, образующиеся в результате уреазной активности, могут использоваться в качестве субстратов для других бактерий, и [3] H.pylori -индуцированное снижение перистальтики желудка. [75]

Использование ИПП и желудочный микробиом

ИПП входят в десятку наиболее часто используемых лекарств в мире. Они широко назначаются для ликвидации H. pylori . Их действия против H. pylori были подробно описаны и включают следующие возможные эффекты: (1) прямой бактериостатический эффект из-за ингибирования бактериальной АТФазы P-типа и (2) ингибирование активности бактериальной уреазы.[76, 77] Следует отметить, что снижение активности уреазы достигалось только при введении высоких доз ИПП (омепразол 80 мг / сут).

Существует по крайней мере два известных механизма, с помощью которых ИПП могут влиять на бактериальный состав желудка: (1) непосредственно воздействуя на протонные насосы бактерий и грибов и (2) нарушая нормальное микроокружение желудка за счет повышения pH желудочного сока. [78] Было показано, что ротоглоточные и фекальные бактерии более широко представлены в микрофлоре желудка после применения ИПП.[79] Sterbini et al. выявили значительное увеличение относительной численности Streptococcus у пациентов, принимающих ИПП, независимо от статуса H. pylori . Они пришли к выводу, что Streptococcus может служить независимым индикатором изменений микробиома желудка у пациентов с диспепсией, вызванных применением ИПП. Это наблюдение может объяснить обострение или сохранение диспепсии у пациентов, получающих терапию ИПП. [80 ••]

Кишечный микробиом

В кишечнике человека обитают триллионы микроорганизмов.Только в толстой кишке обитает около 70% человеческих бактерий. [81] Вскоре после рождения кишечник младенца заселяется материнскими микроорганизмами, на которые может влиять то, кормит ли ребенок грудью. Было показано сходство между материнской микрофлорой влагалища и детской микробиотой. [82] Однако у младенцев, рожденных с помощью кесарева сечения, микробный состав кишечника значительно меняется по сравнению с младенцами, родившимися через естественные родовые пути. [83] Предполагается, что несколько факторов могут влиять на кишечную микробиоту в течение первого года жизни: (1) перенос материнской микробиоты кишечника новорожденному, (2) диета, (3) воздействие окружающей среды, (4) противомикробные препараты и (5) генетические факторы.Со временем (к 3 годам) количество и разнообразие кишечных микроорганизмов увеличивается, и кишечная микробиота детей стабилизируется и становится похожей на микробиоту взрослых. [84] Следует отметить, что изменения в количестве и разнообразии микроорганизмов можно оценить, путешествуя по желудочно-кишечному тракту. Хотя количество бактерий в желудке составляет 10 ¹ клеток / г, оно экспоненциально увеличивается при дистальном перемещении (10 ³ в тонком кишечнике) и достигает 10 ¹² клеток / г в толстой кишке.[85] Интересно, что с точки зрения источника клеточного дыхания бактерии в разных частях пищеварительного тракта также различаются: грамположительные аэробы в двенадцатиперстной кишке, грамотрицательные и грамположительные анаэробы и факультативные анаэробы в терминальном отделе. подвздошная кишка и преобладание облигатных анаэробов (в основном род Bacteroides ) в толстой кишке. [86, 87]

Баланс (как количественный, так и качественный) микроорганизмов в различных частях желудочно-кишечного тракта исключительно важен для поддержания правильного функционирования пищеварительной системы.Например, избыточный бактериальный рост тонкого кишечника (SIBO), состояние, при котором количество бактерий тонкого кишечника превышает 10 ⁵ –10 ⁶ организмов / мл, в основном возникает из-за пониженной секреции кислоты желудочного сока ( вызванной H. pylori , связанной из-за старения, вторичного к применению блокаторов рецепторов гистамина 2 типа (h3) или ИПП) и нарушения моторики тонкого кишечника. [88]

Кроме того, следует учитывать, что состав микробиома просвета не такой, как микробиом, прикрепленный к слизистой оболочке или прилегающий к эпителиальным клеткам.Другими словами, не все бактерии могут достигать слизистых оболочек и эпителиальных «пространств» кишечника. [89] Двумя доминирующими типами микробиоты кишечника являются Firmicutes и Bacteroidetes . Среди других менее распространенных типов — Proteobacteria , Actinobacteria , Fusobacteria , Cyanobacteria и Verrucomicrobia . [90] Очевидно, что роль кишечной микробиоты в поддержании здоровья человека хорошо известна. [91] Кишечная флора, которую называют «забытым органом», выполняет множество важных функций в организме хозяина.[85] Он участвует в (1) создании как слизистой оболочки кишечника, так и системной иммунной системы, (2) защите хозяина от патогенов, будучи важной частью физического барьера, (3) способствуя структурному и функциональному созреванию пищеварительный тракт и (4) регулирование различных метаболических процессов, в том числе связанных с метаболизмом лекарств. [92] Помимо влияния на кишечный барьер, было высказано предположение, что микробиота кишечника может играть роль в регулировании гематоэнцефалического (ГЭБ) и гемато-яичкового (БТБ) барьеров.[93] Недавно было обнаружено, что состав кишечного микробиома может играть роль в прогрессировании старения. [94]

Число заболеваний, прямо или косвенно связанных с изменением состава кишечной микробиоты, значительно увеличилось за последние несколько лет. Они включают, помимо прочего, желудочно-кишечные расстройства (синдром раздраженного кишечника (СРК), воспалительное заболевание кишечника (ВЗК), СИБР, целиакию и колоректальный рак), метаболические нарушения (ожирение и диабет 2 типа), аллергию, астму и сердечно-сосудистые заболевания. и психоневрологические состояния.[95–101]

Микробиота кишечника и барьер кишечника

Как упоминалось выше, было доказано, что микробиом кишечника оказывает огромное влияние на функциональное и структурное созревание кишечника. В частности, Bacteroides thetaiotaomicron известен своей способностью индуцировать экспрессию белка sppr2a, необходимого для поддержания десмосом на эпителиальных ворсинках. [102] Кроме того, передача сигналов, опосредованная Toll-подобным рецептором 2 (TLR2), которая стимулируется пептидогликаном клеточной стенки микробов, поддерживает плотные контакты и подавляет апоптоз.[103] Развитие микрососудов кишечника было связано с индуцированной микробиотой стимуляцией транскрипционного фактора ангиотензина-3. [104] Кроме того, несколько наблюдений показывают, что у мышей без микробов (GF) наблюдаются значимые структурные и функциональные изменения кишечника: (1) сильно увеличенные слепые кишки, (2) уменьшенная площадь поверхности кишечника, (3) измененные перистальтические движения, (4) ) снижение регенеративной способности кишечного эпителия, приводящее к образованию тонких ворсинок, и (5) увеличение времени клеточного цикла.[105–108] Некоторые комменсальные организмы способны модулировать паттерны гликозилирования слизистых оболочек, поскольку углеводные фрагменты служат местами прикрепления микробов. Этот процесс происходит как на клеточном, так и на субклеточном уровнях. Было показано, что сигнальная молекула, секретируемая Bacteroides thetaiotaomicron , индуцирует экспрессию фукозы на глюкоконъюгатах клеточной поверхности. [109]

Кишечная микробиота и желудочный барьер

Хорошо известна роль желудка в пищеварении и метаболизме различных веществ, включая расщепление белков посредством индуцированной HCl активации пепсиногена.Однако Beasley et al. предположили, что развитие кислотности желудка играет важную роль в поддержании сбалансированного состава микробиома кишечника у людей. [110] Например, было показано, что одним из основных факторов, определяющих кислотность желудочного сока, является диета хозяина. Стервятники, которые считаются облигатными падальщиками, имеют одну из самых враждебных желудочных сред (pH близок к 0), что предотвращает колонизацию многими штаммами микробов. [111] Вообще говоря, падальщики и плотоядные животные имеют более высокую кислотность желудочного сока по сравнению с травоядными.Было предложено несколько объяснений того, почему значения pH в желудке человека аналогичны значениям pH у падальщиков: (1) питание падалью у наших прямых предков и (2) естественный отбор, благоприятствующий высокой кислотности желудочного сока, направленный на предотвращение инфекций, вызванных многочисленными фекально-оральными инфекциями. возбудители. [110] Хотя повышенная кислотность желудочного сока предотвращает колонизацию многих патогенных бактерий, другая сторона медали состоит в том, что она также «отфильтровывает» многие мутуалистические микробы, предотвращая их колонизацию у некоторых пациентов (например, после применения антибиотиков).[112]

Состояния, приводящие к снижению кислотности просвета желудка, были связаны с повышенным риском инфицирования Clostridium difficile . [113] Это хорошо известный факт, что pH желудочного сока у пожилых пациентов ниже, чем у молодых людей. [114] Это объясняет, почему пожилой возраст является одним из наиболее заметных факторов риска (наряду с системными антибиотиками и препаратами, подавляющими кислотность) для развития инфекции C. difficile . [115]

Использование ИПП и микробиом кишечника

Несомненно, лучший способ оценить влияние длительного использования ИПП на микробиом кишечника — это провести рандомизированное двойное слепое плацебо-контролируемое исследование.Однако по этическим причинам этот подход неприменим для людей. [116] В моделях на крысах длительное использование лансопразола (50 недель) было связано со значительным изменением бактериального состава терминального отдела подвздошной кишки: преобладание Proteobacteria (93,9%, в основном Escherichia и Pasteurella родов) в контроль и численность Firmicutes (66,9%, в основном родов Clostridium и Lactobacillus ) в экспериментальной группе.[117]

Был проведен ряд наблюдательных и клинических испытаний на людях, чтобы определить влияние использования ИПП на разнообразие кишечных микробов. Леонард и др. провели систематический обзор риска кишечных инфекций у пациентов, принимающих препараты, подавляющие кислотность желудочного сока. Они пришли к выводу, что существует связь между приемом антисекреторных препаратов (более высокий риск при применении ИПП) и развитием Salmonella , Campylobacter и других кишечных инфекций.[118] Диал сообщил об аналогичных результатах относительно связи использования ИПП и кишечных инфекций. [119] В 2015 году Джексон и др. опубликовали результаты исследования, в котором они собрали образцы фекалий 1827 здоровых близнецов и с помощью амплификации 16S рРНК оценили влияние использования ИПП на состав микробиоты кишечника. Они показали, что у пользователей ИПП было значительно меньшее количество комменсальных организмов, а также меньшее бактериальное разнообразие. Кроме того, они обнаружили связь между использованием ИПП и значительно более высоким содержанием глоточных комменсалов в кишечнике.В целом, 10 семейств были более распространены среди пользователей ИПП по сравнению с теми, кто не принимал ИПП (в основном, Streptococcaceae и Micrococcaceae ). Интересно, что более высокая численность Streptococcaceae наблюдалась у пользователей ИПП у монозиготных близнецов, не согласующихся с использованием ИПП. [120 ••] В открытом перекрестном исследовании Freedberg et al. исследовали, могут ли ИПП изменить микробиом желудочно-кишечного тракта. Они не выявили какого-либо значительного влияния использования ИПП на индивидуальные различия в микробном разнообразии.Однако были отмечены значительные изменения в численности таксонов, связанных с инфекцией C. difficile (увеличение Streptococcaceae и Enterococcaceae и уменьшение Clostridiales ) и SIBO (увеличение Staphylococcaceae и Micrococcaceae и Micrococcaceae). Использование PPI. [121] Imhann et al. оценили состав кишечного микробиома 1815 человек (здоровых субъектов и пациентов с ВЗК и СРК) в Нидерландах.Они пришли к выводу, что использование ИПП (211 участников) было связано с численностью семейств Streptococcaceae и Micrococcaceae во всех когортах. Кроме того, они наблюдали значительно увеличенное количество бактерий полости рта (роды Rothia , Scardovia и Actinomyces ) в микробиоме кишечника потребителей ИПП. Следует отметить, что потенциально патогенные штаммы Escherichiacoli также были увеличены у пользователей ИПП. [122 ••] Ло и Чан сообщили о метаанализе 11 исследований (3134 пациента), который показал, что существует положительная корреляция между использованием ИПП и развитие SIBO.Интересно, что такая корреляция была отмечена только тогда, когда диагноз СИБР был поставлен с помощью инвазивного теста (посев дуоденального или тощего аспирата) [123]. Было высказано предположение, что ИПП могут усугубить энтеропатию, вызванную приемом нестероидных противовоспалительных препаратов (НПВП). Считается, что этот эффект является результатом кишечного «дисбактериоза», вызванного применением ИПП. [124] Более того, было показано, что одновременный прием ИПП и НПВП был связан с повышенным риском уменьшения желудочно-кишечного кровотечения (ЖКТ).[125]

Заключение

В последние годы многочисленные исследования неизменно демонстрируют первостепенную роль желудочно-кишечного микробиома в общем состоянии здоровья человека. Поддержание уникального баланса микроорганизмов в кишечнике стало сложной задачей, во многом из-за лекарств. Сообщалось, что чрезмерное использование ИПП значительно сдвигает микробиом желудочно-кишечного тракта в сторону менее здорового состояния. Однако стоит упомянуть, что во многих вышеупомянутых исследованиях для анализа микробиома кишечника использовались образцы фекалий.Следовательно, они не обязательно отражают изменения в биоразнообразии микробиоты, связанной со слизистой оболочкой. Необходимо провести дополнительные исследования для выявления любых факторов, которые могут повлиять на роль ИПП в составе микробиома желудочно-кишечного тракта. Независимо от доступности будущих исследований, мы ценим клиническое значение ИПП. Поэтому поиск новых методов лечения рисков и осложнений, связанных с применением ИПП, имеет большое значение. Например, было показано, что изменение микробиоты с помощью пробиотических добавок может обратить вспять патологические изменения у пациентов с воспалительными состояниями кишечника.[126] Чрезмерное использование ИЦП требует большего внимания. Несомненно, медицинские работники не должны упускать из виду обучение пациентов и консультирование относительно рисков, связанных с использованием ИПП, и ролью микробиома кишечника.

Благодарности

Эта работа получила грантовую поддержку от Департамента по делам ветеранов RR&D Merit Review (JRP) I01 RX000194; Исследования на людях CORE через CURE: Исследовательский центр болезней пищеварения при поддержке гранта NIH P30DK41301.

Сноски

Соблюдение этических стандартов

Конфликт интересов Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Права человека и животных и информированное согласие Эта статья не содержит исследований с участием людей или животных, выполненных кем-либо из авторов.

Ссылки

Статьи, представляющие особый интерес, опубликованные недавно, были отмечены как:

• Важные

•• Важные

1. Рамзи П. Т., Карр А. Кислота желудка и физиология пищеварения. Surg Clin North Am. 2011; 91 (5): 977–82. [PubMed] [Google Scholar] 2. Цзэн Н., Атманн С., Кан Т. и др.Активация рецептора PACAP типа I регулирует ECL-клетки и секрецию желудочного сока. J Clin Invest. 1999. 104 (10): 1383–91. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 3. Ямаджи Н., Йоку Й, Ивашита Т. и др. Структурное определение двух активных соединений, которые связываются с мускариновым рецептором M3 в пиве. Alcohol Clin Exp Res. 2007; 31: S9 – S14. [PubMed] [Google Scholar] 4. Шуберт МЛ, Махлуф ГМ. Секреция гастрина, вызванная вздутием живота, у крыс опосредуется холинергическими и вазоактивными пептидными нейронами кишечника.Гастроэнтерология. 1993. 104 (3): 834–9. [PubMed] [Google Scholar] 5. Орлофф С.Л., Баннетт Н.В., Вонг Х., Уолш Дж. Х., Дебас ХТ. Нервные и гормональные механизмы опосредуют энтерогастральный рефлекс: исследование кишечных трансплантатов у крыс. Гастроэнтерология. 1991; 101 (3): 734–42. [PubMed] [Google Scholar] 6. Фан Дж., Бенхамму Дж. Н., Писенья-младший. Гиперсекреторные состояния желудка: исследование и лечение. Варианты лечения Curr Gastroenterol. 2015; 13 (4): 386–97. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 7. Шуберт МЛ. Секреция желудочного сока.Курр Опин Гастроэнтерол. 2016; 32 (6): 452–60. [PubMed] [Google Scholar] 8. Шуберт М.Л., Пеура Д.А. Контроль секреции желудочного сока при здоровье и болезни. Гастроэнтерология. 2008. 134 (7): 1842–60. [PubMed] [Google Scholar] 9. Takeuchi K, Endoh T, Hayashi S, Aihara T. Активация мускаринового ацетилхолинового рецептора подтипа 4 важна для холинергической стимуляции секреции желудочного сока: связь с D-клеткой / соматостатином. Front Pharmacol. 2016; 7: 278. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 10. Фрик С., Реттенбергер А.Т., Лунц М.Л., Брир Х.Сложная морфология G-клеток, высвобождающих гастрин, в антральном отделе желудка мышей. Cell Tissue Res. 2016; 366 (2): 301–10. [PubMed] [Google Scholar] 11. Bitziou E, Patel BA. Одновременное обнаружение желудочной кислоты и высвобождения гистамина, чтобы раскрыть регуляцию секреции кислоты из желудка морской свинки. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2012; 303 (3): G396–403. [PubMed] [Google Scholar] 12. Вуйюру Л, Шуберт МЛ. Гистамин, действуя через рецепторы h4, ингибирует соматостатин и стимулирует секрецию кислоты в изолированном желудке мыши.Гастроэнтерология. 1997. 113 (5): 1545–52. [PubMed] [Google Scholar] 13. Шуберт М.Л., Хайтауэр Дж., Махлуф Г.М. Связь между соматостатином и секрецией кислоты: данные по использованию токсина коклюша. Am J Phys. 1989; 256 (2 Pt 1): G418–22. [PubMed] [Google Scholar] 16. Симидзу К., Ли П, Ли Ки, Чанг TM, Чей Вайоминг. Механизм ингибирующего действия секретина на секрецию желудочного сока у крыс в сознании. J Physiol. 1995. 488 (Pt 2): 501–8. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 17. Schmidt WE, Schenk S, Nustede R, Holst JJ, Folsch UR, Creutzfeldt W.Холецистокинин является негативным регулятором секреции кислоты желудочного сока и постпрандиального высвобождения гастрина у людей. Гастроэнтерология. 1994. 107 (6): 1610–20. [PubMed] [Google Scholar] 18. Konturek JW, Konturek SJ, Kwiecien N, et al. Лептинин контролирует желудочную секрецию и гормоны кишечника у людей, инфицированных Helicobacter pylori . Сканд Дж Гастроэнтерол. 2001. 36 (11): 1148–54. [PubMed] [Google Scholar] 19. Шин Дж. М., Мансон К., Вагин О., Сакс Г. ГК-АТФаза желудка: структура, функция и ингибирование.Pflugers Archiv. 2009. 457 (3): 609–22. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 20. Каплан MJ. Будущее насоса. J Clin Gastroenterol. 2007; 41 (Дополнение 2): S217–22. [PubMed] [Google Scholar] 21. Херси SJ, Sachs G. Секреция желудочной кислоты. Physiol Rev.1995; 75 (1): 155–89. [PubMed] [Google Scholar] 22. Fujii T, Fujita K, Takeguchi N, Sakai H. Функция котранспортеров K (+) — Cl (-) в кислотном секреторном механизме париетальных клеток желудка. Биол Фарм Булл. 2011; 34 (6): 810–2. [PubMed] [Google Scholar] 23.Феллениус Э., Берглинд Т., Сакс Г. и др. Замещенные бензимидазолы подавляют секрецию кислоты желудочного сока, блокируя (H + + K +) АТФазу. Природа. 1981, 290 (5802): 159–61. [PubMed] [Google Scholar] 24. Ли Х, Мэн Л., Лю Ф, Вэй Дж. Ф., Ван Ю. Ингибиторы H + / K + -АТФазы: обзор патента. Мнение эксперта Ther Pat. 2013. 23 (1): 99–111. [PubMed] [Google Scholar] 25. Galmiche JP, Bruley Des Varannes S, Ducrotte P и др. Тенатопразол, новый ингибитор протонной помпы с увеличенным периодом полувыведения из плазмы: влияние на внутрижелудочный pH и сравнение с эзомепразолом у здоровых добровольцев.Алимент Pharmacol Ther. 2004. 19 (6): 655–62. [PubMed] [Google Scholar] 26. Шин Дж. М., Ким Н. Фармакокинетика и фармакодинамика ингибиторов протонной помпы. J Neurogastroenterol Motil. 2013. 19 (1): 25–35. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 27. Сакс Дж., Шин Дж. М.. Основа дифференциации ИЦП. Наркотики сегодня (Barc) 2004; 40 (Приложение A): 9–14. [PubMed] [Google Scholar] 28. Шин Дж. М., Сакс Г. Восстановление секреции кислоты после лечения ингибиторами протонной помпы. Гастроэнтерология. 2002. 123 (5): 1588–97.[PubMed] [Google Scholar] 29. Стедман CA, Barclay ML. Обзорная статья: сравнение фармакокинетики, подавления кислотности и эффективности ингибиторов протонной помпы. Алимент Pharmacol Ther. 2000. 14 (8): 963–78. [PubMed] [Google Scholar] 30. Hatlebakk JG, Katz PO, Camacho-Lobato L, Castell DO. Ингибиторы протонной помпы: лучшее подавление кислотности при приеме перед едой, чем без еды. Алимент Pharmacol Ther. 2000. 14 (10): 1267–72. [PubMed] [Google Scholar] 31. Кацубе Т., Адачи К., Кавамура А. и др. Helicobacter pylori Инфекция влияет на ночной прорыв кислоты в желудок.Алимент Pharmacol Ther. 2000. 14 (8): 1049–56. [PubMed] [Google Scholar] 32. Ishizaki T, Horai Y. Обзорная статья: цитохром P450 и метаболизм ингибиторов протонной помпы — акцент на рабепразоле. Алимент Pharmacol Ther. 1999; 13 (Дополнение 3): 27–36. [PubMed] [Google Scholar] 33. Абело А., Андерссон ТБ, Антонссон М., Наудо А.К., Сканберг И., Вайдольф Л. Стереоселективный метаболизм омепразола ферментами цитохрома Р450 человека. Утилизация наркотиков. 2000. 28 (8): 966–72. [PubMed] [Google Scholar] 34. Андерссон Т., Хассан-Алин М., Хассельгрен Г., Росс К.Исследования лекарственного взаимодействия с эзомепразолом, (S) -изомером омепразола. Клин Фармакокинет. 2001. 40 (7): 523–37. [PubMed] [Google Scholar] 35. Фурута Т., Охаши К., Камата Т. и др. Влияние генетических различий в метаболизме омепразола на показатели излечения от инфекции Helicobacter pylori и язвенной болезни. Ann Intern Med. 1998. 129 (12): 1027–30. [PubMed] [Google Scholar] 36. Тан Х.Л., Ли И, Ху ИФ, Се Х.Г., Чжай С.Д. Влияние вариантов с потерей функции CYP2C19 на эрадикацию инфекции H. pylori у пациентов, получавших тройную терапию на основе ингибиторов протонной помпы: метаанализ рандомизированных клинических испытаний.PloS One. 2013; 8 (4): e62162. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 37. Маршалл Б.Дж., Уоррен-младший. Неопознанные изогнутые бациллы в желудке больных гастритом и язвенной болезнью. Ланцет. 1984; 1 (8390): 1311–5. [PubMed] [Google Scholar] 38. Коричневый LM. Helicobacter pylori : эпидемиология и пути передачи. Epidemiol Rev.2000; 22 (2): 283–97. [PubMed] [Google Scholar] 39. Eusebi LH, Zagari RM, Bazzoli F. Эпидемиология инфекции Helicobacter pylori . Helicobacter.2014; 19: 1–5. [PubMed] [Google Scholar] 40. МакДжанкин Б., Сиссоко М., Левиен Дж., Апчерч Дж., Ахмед А. Резкое снижение распространенности Helicobacter pylori и язвенной болезни в популяции, направленной на эндоскопию. Am J Med. 124 (3): 260–4. [PubMed] [Google Scholar] 41. Сегал И., Элли Р., Митчелл Х. Helicobacter pylori — африканская перспектива. QJM: Int J Med. 2001. 94 (10): 561–5. [PubMed] [Google Scholar] 42. Пещера DR. Как передается Helicobacter pylori ? Гастроэнтерология. 1997. 113 (6 доп.): S9–14.[PubMed] [Google Scholar] 44. Бик Э.М., Экбург П.Б., Гилл С.Р. и др. Молекулярный анализ бактериальной микробиоты желудка человека. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2006; 103 (3): 732–7. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 45. Blaser MJ. Helicobacter pylori : микробиология «медленной» бактериальной инфекции. Trends Microbiol. 1993; 1 (7): 255–60. [PubMed] [Google Scholar] 46. Стингл К., Альтендорф К., Баккер Е.П. Кислотная выживаемость Helicobacter pylori : как активность уреазы запускает гомеостаз цитоплазматического pH? Trends Microbiol.2002. 10 (2): 70–4. [PubMed] [Google Scholar] 47. Као C-Y, Sheu B-S, Wu J-J. Helicobacter pylori инфекция: обзор факторов вирулентности бактерий и патогенеза. Биом Дж. 2016; 39 (1): 14–23. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 48. Логан РП. Приверженность Helicobacter pylori . Алимент Pharmacol Ther. 1996; 10 (Дополнение 1): 3–15. [PubMed] [Google Scholar] 49. Bytzer P, Dahlerup JF, Eriksen JR, Jarbol DE, Rosenstock S, Wildt S. Диагностика и лечение инфекции Helicobacter pylori .Дэн Мед Булл. 2011; 58 (4): C4271. [PubMed] [Google Scholar] 50. Макколл К.Э., Эль-Омар Э., Гиллен Д. Взаимодействие между инфекцией H. pylori , секрецией желудочного сока и антисекреторной терапией. Br Med Bull. 1998. 54 (1): 121–38. [PubMed] [Google Scholar] 51. Чен XY, Лю WZ, Ши Y, Zhang DZ, Xiao SD, Tytgat GNJ. Helicobacter pylori ассоциированные заболевания желудка и гиперплазия лимфоидной ткани в слизистой оболочке антрального отдела желудка. J Clin Pathol. 2002. 55 (2): 133–7. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 52.Петерсон WL. Helicobacter pylori и язвенная болезнь. N Engl J Med. 1991. 324 (15): 1043–8. [PubMed] [Google Scholar] 53. Яаккимайнен Р.Л., Бойл Э., Тудивер Ф. Связано ли Helicobacter pylori с неязвенной диспепсией и улучшит ли ее устранение симптомы? Метаанализ. BMJ. 1999. 319 (7216): 1040–4. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 54. Ким С.С., Руис В.Э., Кэрролл Д.Д., Мосс С.Ф. Helicobacter pylori в патогенезе рака желудка и лимфомы желудка.Cancer Lett. 2011. 305 (2): 228–38. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 55. Гасбаррини А., Карлони Э., Гасбаррини Г., Чисхолм С.А. Helicobacter pylori и внегастральные болезни — прочие Helicobacter . Helicobacter. 2004; 9: 57–66. [PubMed] [Google Scholar] 56. Шахаби С., Расми Й., Джазани Н.Х., Хассан З.М. Защитное действие Helicobacter pylori против гастроэзофагеальной рефлюксной болезни может быть связано с нейроиммунологическим противовоспалительным механизмом. Immunol Cell Biol.2007. 86 (2): 175–8. [PubMed] [Google Scholar] 57. Амедей А., Кодоло Дж., Дель Прете Дж., Де Бернар М., Д’Элиос М.М. Влияние Helicobacter pylori на астму и аллергию. J Asthma Allergy. 2010. 3: 139–47. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 59. Тестерман Т.Л., Моррис Дж. За желудком: обновленное представление о патогенезе, диагностике и лечении Helicobacter pylori . Мир J Gastroenterol: WJG. 2014. 20 (36): 12781–808. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 60. Ли С, Ха Т, Фергюсон Д.А., мл. И др.Недавно разработанный анализ ПЦР H. pylori в биопсии желудка, слюне и кале. Свидетельства высокой распространенности H. pylori в слюне подтверждают оральную передачу. Dig Dis Sci. 1996. 41 (11): 2142–9. [PubMed] [Google Scholar] 61. Лю Х., Рахман А., Семино-Мора С., Дой С.К., Дюбуа А. Специфическое и чувствительное обнаружение H. pylori в биологических образцах с помощью ОТ-ПЦР в реальном времени и гибридизации in situ. PloS One. 2008; 3 (7): e2689. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 62.Бассис С.М., Эрб-Даунвард Дж. Р., Диксон Р. П. и др. Анализ микробиоты верхних дыхательных путей как источника микробиоты легких и желудка у здоровых людей. mBio. 2015; 6 (2): e00037. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 63. Джовел Дж., Паттерсон Дж., Ван В. и др. Характеристика микробиома кишечника с использованием 16S или метагеномики дробовика. Front Microbiol. 2016; 7: 459. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 64. Ли X-X, Wong GL-H, To K-F и др. Профилирование бактериальной микробиоты при гастрите без инфекции Helicobacter pylori или применения нестероидных противовоспалительных препаратов.PLoS One. 2009; 4 (11): e7985. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 65 •. Khosravi Y, Dieye Y, Poh BH и др. Культуральная бактериальная микробиота желудка Helicobacter pylori положительных и отрицательных пациентов с заболеваниями желудка. Научный мир J. 2014; 2014: 610421. Это исследование показало корреляцию между Streptococcus и язвенной болезнью. Burkholderia pseudomallei также была выделена из образцов желудка, что указывает на географические различия в биоразнообразии желудочного микробиома.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 66. Авилес-Хименес Ф., Васкес-Хименес Ф., Медрано-Гусман Р., Мантилья А., Торрес Дж. Состав микробиоты желудка варьируется между пациентами с неатрофическим гастритом и пациентами с кишечным типом рака желудка. Научный отчет 2014; 4: 4202. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 67. Энгстранд Л., Линдберг М. Helicobacter pylori и микробиота желудка. Лучшие Практики Рес Клин Гастроэнтерол. 2013. 27 (1): 39–45. [PubMed] [Google Scholar] 68. Дельгадо С., Кабрера-Рубио Р., Мира А., Суарес А., Майо Б.Микробиологическое исследование желудочной экосистемы человека методами культивирования и пиросеквенирования. Microb Ecol. 2013; 65 (3): 763–72. [PubMed] [Google Scholar] 69 ••. Ролиг А.С., Чех К., Алер ​​Э., Картер Дж. Э., Оттеманн К.М. Степень воспаления, вызванного Helicobacter pylori , регулируется микробиотой хозяина до инфицирования. Infect Immun. 2013. 81 (5): 1382–9. Авторы обнаружили, что клиническое течение и исход болезни H. pylori зависит от бактериального состава желудка хозяина.Они предположили, что микробиом желудка можно использовать в качестве диагностического маркера для прогнозирования исхода инфекции H. pylori . [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 70. Delgado S, Leite AM, Ruas-Madiedo P, Mayo B. Пробиотические и технологические свойства Lactobacillus spp. штаммы желудка человека в поисках потенциальных кандидатов против микробного дисбактериоза желудка. Front Microbiol. 2014; 5: 766. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 71. Хосрави Й., Дайе Й., Локе М.Ф., Го К.Л., Вадивелу Дж. Streptococcus mitis индуцирует преобразование Helicobacter pylori в кокковидные клетки во время совместного культивирования in vitro. PLoS One. 2014; 9 (11): e112214. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 72. Андерссон А.Ф., Линдберг М., Якобссон Х., Бакхед Ф., Найрен П., Энгстранд Л. Сравнительный анализ микробиоты кишечника человека с помощью пиросеквенирования со штрих-кодом. PLoS One. 2008; 3 (7): e2836. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 73. Браунер К.М., Кумар Р., Серрано К.А. и др. Инфекция Helicobacter pylori связана с изменением микробиоты желудка у детей.Mucosal Immunol. 2017 [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 74. Льорка Л., Перес-Перес Г., Уррузуно П. и др. Характеристика микробиоты желудка в педиатрической популяции согласно статусу Helicobacter pylori . Pediatr Infect Dis J. 2017; 36 (2): 173–8. [PubMed] [Google Scholar] 75. Nardone G, Compare D. Микробиота желудка человека: не пора ли переосмыслить патогенез заболеваний желудка? United European Gastroenterol J. 2015; 3 (3): 255–60. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 76.Mauch F, Bode G, Malfertheiner P. Идентификация и характеристика АТФазной системы Helicobacter pylori и влияние ингибиторов протонной помпы. Am J Gastroenterol. 1993. 88 (10): 1801–1802. [PubMed] [Google Scholar] 77. Stoschus B, Dominguez-Munoz JE, Kalhori N, Sauerbruch T., Malfertheiner P. Влияние омепразола на уреазную активность Helicobacter pylori in vivo. Eur J Gastroenterol Hepatol. 1996. 8 (8): 811–3. [PubMed] [Google Scholar] 78. Веспер Б.Дж., Джавди А., Альтман К.В., Хейнс Г.К., 3-й, Тао Л., Радосевич Я.Влияние ингибиторов протонной помпы на микробиоту человека. Curr Drug Metab. 2009. 10 (1): 84–9. [PubMed] [Google Scholar] 79. Сандулеану С., Йонкерс Д., Де Бруйн А., Хаметеман В., Стокбруггер Р. В.. Не Helicobacter pylori бактериальная флора во время кислотосупрессивной терапии: дифференциальные результаты в желудочном соке и слизистой оболочке желудка. Алимент Pharmacol Ther. 2001. 15 (3): 379–88. [PubMed] [Google Scholar] 80 ••. Парони Стербини Ф., Палладини А., Масуччи Л. и др. Влияние ингибиторов протонной помпы на микробиоту слизистой оболочки желудка у пациентов с диспепсией.Appl Environm Microbiol. 2016; 82 (22): 6633–44. Firmicutes , особенно род Streptococcus , были обнаружены в относительном количестве у пациентов, принимающих ИПП. Авторы предположили, что это может объяснить обострение и сохранение диспепсических симптомов у пациентов, получающих терапию ИПП. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 81. Лей Р. Э., Петерсон Д. А., Гордон Д. И.. Экологические и эволюционные силы, формирующие микробное разнообразие в кишечнике человека. Клетка. 2006. 124 (4): 837–48.[PubMed] [Google Scholar] 82. Мандар Р., Микелсаар М. Передача микрофлоры матери новорожденному при рождении. Biol Neonate. 1996. 69 (1): 30–5. [PubMed] [Google Scholar] 83. Ной Дж., Рашинг Дж. Кесарево сечение по сравнению с естественными родами: долгосрочные исходы для новорожденных и гигиеническая гипотеза. Clin Perinatol. 2011. 38 (2): 321–31. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 86. Симрен М., Барбара Дж., Флинт Х. Дж. И др. Кишечная микробиота при функциональных расстройствах кишечника: доклад Римского фонда. Кишечник. 2013; 62 (1): 159–76.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 88. Дукович А.С., Лейси Б.Е., Левин Г.М. Разрастание бактерий в тонком кишечнике: всесторонний обзор. Гастроэнтерол Гепатол. 2007. 3 (2): 112–22. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 89. Свидсински А., Ленинг-Бауке В., Лохс Х., Хейл Л.П. Пространственная организация бактериальной флоры в нормальном и воспаленном кишечнике: флуоресцентное исследование гибридизации in situ на мышах. Мир Дж. Гастроэнтерол. 2005. 11 (8): 1131–40. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 91. Kahrstrom CT, Pariente N, Weiss U.Кишечная микробиота в здоровье и болезнях. Природа. 2016; 535 (7610): 47–7. [PubMed] [Google Scholar] 92. Секиров И., Рассел С.Л., Antunes LCM, Финлей ББ. Микробиота кишечника в здоровье и болезнях. Physiol Rev.2010; 90 (3): 859–904. [PubMed] [Google Scholar] 94. Смит П., Виллемсен Д., Попкес М.Л. и др. Регулирование продолжительности жизни кишечной микробиотой короткоживущих рыб-киллеров африканской бирюзы. 2017 bioRxiv. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 96. Салонен А., де Вос В.М., Палва А. Желудочно-кишечная микробиота при синдроме раздраженного кишечника: современное состояние и перспективы.Микробиология. 2010. 156 (Pt 11): 3205–15. [PubMed] [Google Scholar] 97. Фогтманн Э., Хуа Х, Зеллер Г. и др. Колоректальный рак и микробиом кишечника человека: воспроизводимость с помощью полногеномного секвенирования. PLoS One. 2016; 11 (5): e0155362. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 98. Де Пальма Дж., Надаль И., Медина М. и др. Дисбактериоз кишечника и уменьшение количества бактерий, покрытых иммуноглобулином, связанных с глютеновой болезнью у детей. BMC Microbiol. 2010; 10: 63. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 100.Fujimura KE, Lynch SV. Микробиота при аллергии и астме и возникающая связь с микробиомом кишечника. Клеточный микроб-хозяин. 2015; 17 (5): 592–602. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 101. Петра А.И., Панагиотиду С., Хациагелаки Е., Стюарт Дж. М., Конти П., Теохаридис Т.С. Ось кишечник-микробиота-мозг и влияние на нейропсихиатрические расстройства с подозрением на иммунную дисрегуляцию. Clin Ther. 2015; 37 (5): 984–95. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 102. Lutgendorff F, Akkermans LM, Soderholm JD.Роль микробиоты и пробиотиков в повреждении желудочно-кишечного тракта, вызванном стрессом. Curr Mol Med. 2008. 8 (4): 282–98. [PubMed] [Google Scholar] 103. Карио Э, Геркен Г, Подольский ДК. Toll-подобный рецептор 2 контролирует воспаление слизистой оболочки, регулируя барьерную функцию эпителия. Гастроэнтерология. 2007. 132 (4): 1359–74. [PubMed] [Google Scholar] 104. Стаппенбек Т.С., Хупер Л.В., Гордон Дж. Регуляция развития кишечного ангиогенеза аборигенными микробами через клетки Панета. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2002; 99 (24): 15451–5.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 105. Гордон Х.А., Брукнер-Кардосс Э. Влияние нормальной микробной флоры на поверхность кишечника. Am J Phys. 1961; 201: 175–8. [PubMed] [Google Scholar] 106. Wostmann B, Bruckner-Kardoss E. Развитие вздутия слепой кишки у стерильных детенышей крыс. Am J Phys. 1959; 197: 1345–6. [PubMed] [Google Scholar] 107. Husebye E, Hellstrom PM, Midtvedt T. Микрофлора кишечника стимулирует миоэлектрическую активность тонкого кишечника крысы, способствуя циклическому инициированию и аборальному распространению мигрирующего миоэлектрического комплекса.Dig Dis Sci. 1994. 39 (5): 946–56. [PubMed] [Google Scholar] 108. Алам М., Мидтведт Т., Урибе А. Дифференциальная клеточная кинетика в подвздошной и толстой кишке стерильных крыс. Сканд Дж Гастроэнтерол. 1994. 29 (5): 445–51. [PubMed] [Google Scholar] 109. Хупер Л.В., Гордон Д.И. Комменсальные отношения хозяина и бактерии в кишечнике. Наука. 2001. 292 (5519): 1115–8. [PubMed] [Google Scholar] 110. Бизли Д.Е., Кольц А.М., Ламберт Дж. Э., Фирер Н., Данн Р. Р.. Эволюция кислотности желудка и ее значение для микробиома человека. PLoS One.2015; 10 (7): e0134116. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 111. Roggenbuck M, Baerholm Schnell I, Blom N и др. Микробиом стервятников нового мира. Nat Commun. 2014; 5: 5498. [PubMed] [Google Scholar] 112. Lange K, Buerger M, Stallmach A, Bruns T. Влияние антибиотиков на микробиоту кишечника. Dig Dis. 2016; 34 (3): 260–8. [PubMed] [Google Scholar] 114. Рассел Т.Л., Берарди Р.Р., Барнетт Дж. Л. и др. PH верхних отделов желудочно-кишечного тракта у семидесяти девяти здоровых пожилых мужчин и женщин из Северной Америки. Pharm Res. 1993. 10 (2): 187–96.[PubMed] [Google Scholar] 115. Лоо В.Г., Бурго А.М., Пуарье Л. и др. Факторы хозяина и патогена для инфекции и колонизации Clostridium difficile . N Engl J Med. 2011; 365 (18): 1693–703. [PubMed] [Google Scholar] 117. Шин С.М., Ким Н., Ким Ю.С. и др. Влияние длительной терапии ингибиторами протонной помпы на микробиоту кишечника у крыс F344: пилотное исследование. Кишечная печень. 2016; 10 (6): 896–901. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 118. Леонард Дж., Маршалл Дж. К., Моайеди П. Систематический обзор риска кишечной инфекции у пациентов, принимающих кислотное подавление.Am J Gastroenterol. 2007. 102 (9): 2047–56. викторина 2057. [PubMed] [Google Scholar] 119. Наберите MS. Использование ингибиторов протонной помпы и кишечные инфекции. Am J Gastroenterol. 2009; 104 (Приложение 2): S10–6. [PubMed] [Google Scholar] 120 ••. Джексон М.А., Гудрич Дж.К., Максан М.-Е и др. Ингибиторы протонной помпы изменяют состав микробиоты кишечника. Кишечник. 2016; 65 (5): 749–56. Это крупное исследование (1827 здоровых близнецов) показало отрицательную корреляцию между использованием ИПП и микробным разнообразием кишечника. Также было обнаружено чрезмерное количество бактерий верхних отделов желудочно-кишечного тракта в нижних отделах кишечника.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 121. Freedberg DE, Toussaint NC, Chen SP и др. Ингибиторы протонной помпы изменяют определенные таксоны в желудочно-кишечном микробиоме человека: перекрестное испытание. Гастроэнтерология. 2015. 149 (4): 883–5. e889. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 122 ••. Имханн Ф., Бондер М.Дж., Вич Вила А. и др. Ингибиторы протонной помпы влияют на микробиом кишечника. Кишечник. 2016; 65 (5): 740–8. Результаты этого европейского исследования с участием как здоровых субъектов, так и пациентов с заболеваниями желудочно-кишечного тракта (1815 участников) подтвердили идею о том, что использование ИПП связано с развитием менее здорового микробиома кишечника.Примечательно, что выявлено значительное увеличение патогенных бактерий. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 123. Ло В.К., Чан В.В. Использование ингибиторов протонной помпы и риск избыточного бактериального роста в тонком кишечнике: метаанализ. Clin Gastroenterol Hepatol. 2013; 11 (5): 483–90. [PubMed] [Google Scholar] 124. Фухимори С. Как протонная помпа у гибиторов влияет на тонкий кишечник? Мир J Gastroenterol: WJG. 2015; 21 (22): 6817–9. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 125. Луэ А., Ланас А.Лечение ингибиторами протонной помпы и кровотечение из желудочно-кишечного тракта: баланс риска и пользы. Мир Дж. Гастроэнтерол. 2016; 22 (48): 10477–81. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 126. Галло А., Пассаро Г., Гасбаррини А., Ландольфи Р., Монтальто М. Модуляция микробиоты как лечение воспалительных заболеваний кишечника: последнее время. Мир Дж. Гастроэнтерол. 2016; 22 (32): 7186–202. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

ACP — Relations — Взаимосвязь между молекулярным составом, поглощением видимого света и связанными со здоровьем свойствами тлеющих аэрозолей древесного дыма

Молекулярное понимание подавления образования новых частиц изопреном

Мартин Хейнрици, Любна Дада, Марио Симон, Доминик Штольценбург, Андреа К.Вагнер, Лукас Фишер, Лаури Р. Ахонен, Ставрос Аманатидис, Рима Баальбаки, Андреа Баккарини, Паулюс С. Бауэр, Бернхард Баумгартнер, Федерико Бьянки, София Брилке, Дексиан Чен, Рэндалл Чиу, Антонио Диас, Йозеф Доммен, Джонатан Дуплинк , Карла Фреге, Клаудиа Фукс, Ольга Гармаш, Хэмиш Гордон, Мануэль Гранзин, Имад Эль Хаддад, Сюченг Хе, Йоханна Хельм, Виктория Хофбауэр, Кристофер Р. Хойл, Юха Кангаслуома, Тимо Кебер, Чангюк Ким, Андреас Кюртен, Хаддам, Тиак Тиак М.Лаурила, Янне Лампилахти, Чуан Пинг Ли, Катрианна Лехтипало, Маркус Леймингер, Хуаджун Май, Владимир Махмутов, Ханна Элина Маннинен, Руби Мартен, Серж Матот, Рой Ли Маулдин, Бернхард Ментлер, Туомо Ньютени, Татьяна Мюллер, Уго Нюомо Мольтени, Татьяна Мюллер, Антти Оннела, Ева Партолл, Моника Пассананти, Туукка Петая, Йошка Пфайфер, Вероника Посписилова, Лауриан Л.Дж. Квилевер, Матти П. Риссанен, Клеменс Роуз, Зигфрид Шобесбергер, Вибке Шольц, Кай Штежильер, Кристиан Скипзилер, Кристиан Стойберин , Йи Джун Там, Мигель Васкес-Пуфло, Аннеле Виртанен, Александр Л.Фогель, Райнер Волкамер, Роберт Вагнер, Минджи Ван, Лена Вайц, Даниэла Виммер, Мао Сяо, Чао Ян, Пэнлин Е, Цяочжи Чжа, Сюэцинь Чжоу, Антонио Аморим, Урс Балтенспергер, Армин Хансель, Маркку Кульмала, Антонио М. Тома Винклер, Дуглас Р. Уорсноп, Нил М. Донахью, Джаспер Киркби и Иоахим Куртиус

Атмос. Chem. Phys., 20, 11809–11821, https://doi.org/10.5194/acp-20-11809-2020, https://doi.org/10.5194/acp-20-11809-2020, 2020

Краткое содержание

Сильно и полностью модифицированные РНК направляют эффективное SpyCas9-опосредованное редактирование генома

Конструирование модификаций crRNA и tracrRNA на основе структуры

Кристаллические структуры SpyCas9 были решены как одна РНП или связанные с одной или обеими цепями целевой ДНК ^{17, 18,19,20} .Эти структуры предоставляют подробную информацию о взаимодействиях между белком Cas9 и комплексом crRNA: tracrRNA. Мы использовали эти структуры для идентификации сайтов, где белок Cas9 не контактирует с crRNA или tracrRNA. Таким образом, на нашем начальном экране модификации 2′-OMe были введены в положения направляющих 7–10 и 20 ( C2 , рис. 1c). Сходным образом положения 21 и 27-36 в области повтора crRNA также были модифицированы с использованием 2′-OMe. Для повышения стабильности нуклеазы модификации PS были также введены на 5′-конце крРНК, что дало дизайн C3 (рис.1в и таблица 1). Параллельно мы тестировали crRNA, которая была более агрессивно модифицирована, чтобы оставить незащищенными только девять нуклеотидов (nt) ( C1 ). Точно так же модификации 2′-OMe были также введены в tracrRNA во всех положениях, где не наблюдается контакта белка с РНК. Это дало T1 , который на 50% химически модифицирован (рис. 2 и таблица 2).

Таблица 1 Химически модифицированные crРНК, использованные в этом исследовании Рис. 2

Второй раунд химической оптимизации РНК CRISPR.Оптимизированные конструкции crRNA показаны в a , тогда как химические конструкции tracrRNA показаны в b . Каждую crRNA тестировали с немодифицированной tracrRNA T0 , тогда как каждую tracrRNA тестировали с немодифицированной crRNA CO . Гистограммы показывают процент клеток, экспрессирующих mCherry, ± стандартное отклонение. Каждую РНК тестировали в трех экземплярах

Таблица 2 Химически модифицированные tracrRNA, использованные в этом исследовании

crRNA и tracrRNA были протестированы в клеточной линии HEK293T, стабильно экспрессирующей репортерную систему светофора (TLR), которая включает GFP (содержащий вставку) , за которым следует mCherry ²¹ вне кадра.После индукции DSB подмножество событий репарации негомологичного соединения концов (NHEJ) генерирует индели, которые помещают mCherry в рамку, что приводит к красной флуоресценции. Клетки HEK293T-TLR подвергали электропорации (система трансфекции Neon) с восстановленным in vitro RNP-комплексом рекомбинантных 3xNLS-SpyCas9, crRNA и tracrRNA. Электропорированные клетки анализировали проточной цитометрией (дополнительный рис. 1) на mCherry-положительные клетки. Как показано на рис. 1c, модифицированные crРНК C2 и C3 сохраняют полную активность по сравнению с немодифицированной crRNA C0 , предполагая, что модификации, введенные в crRNA C2 и C3 , хорошо переносятся Cas9.Доставка комплекса Cas9 RNP на основе липидов показала, что C3 немного более эффективен, чем C0 и C2 (дополнительный рис. 2), что неудивительно, учитывая важность концевых модификаций для редактирования генома на основе Cas9. ранее в других типах клеток ¹¹ . Поскольку общая эффективность редактирования с доставкой на основе липидов была значительно ниже по сравнению с электропорацией, мы сосредоточились на последнем как на нашем предпочтительном способе доставки Cas9 RNP.Подобно C2 и C3 , модифицированная конструкция tracrRNA T1 не препятствовала активности Cas9. С другой стороны, дополнительные модификации, введенные в C1 , почти полностью аннулировали активность Cas9 в клетках. Мы пришли к выводу, что модификации 2′-OMe (особенно в положениях 16–18 в crRNA), скорее всего, нарушают активность Cas9 RNP, поскольку было показано, что нуклеотиды в положениях 16 и 18 устанавливают специфичные для оснований контакты с Arg447 и Arg71 ¹⁷ . Предполагается, что 2′-OH G16 в TLR crRNA образует водородную связь с Arg447.Мы выбрали C3 и T1 в качестве основы для дальнейшей оптимизации.

Эмпирическое уточнение модификаций crRNA и tracrRNA

Во втором раунде модификации crRNA мы ввели дополнительные модификации 2′-OMe в первые 6 нуклеотидов C3 , получив C4 (рис. 2). В другом дизайне модификации 2′-OMe были включены в положения 17 и 18 ( C5 ). G16 остался немодифицированным, потому что он устанавливает специфичные для основания и остова контакты с Cas9 и, вероятно, вносит вклад в низкую эффективность C1 .Недавно другие также наблюдали аналогичные ограничения в позиции 16 ⁶ . В C6 была проверена важность 2′-OH групп в положениях 25 и 26. 2′-ОН этих нуклеотидов контактирует с белком в кристаллической структуре; однако они не образуют пары с целевой ДНК, и поэтому замена 2′-OMe в этих положениях может быть более приемлемой. C7 и C8 были идентичны C5 и C6 , соответственно, за исключением того, что они также содержали модификации 2′-OMe в первых шести положениях.Все эти crРНК ( C4 — C8 ) были разработаны для идентификации модификаций, ответственных за более низкую активность C1 по сравнению с C3 .

Как показано на рис. 2 и дополнительном рис. 3, C4 — C7 сохраняет почти ту же эффективность, что и C0 , но активность C8 была сильно снижена. Эти результаты показали, что нуклеотиды в положениях 1–6 и 17–18 допускают замены 2′-OH. Модификации 2′-OMe в положениях 25 и 26 допустимы в C6 , но не в C8 .Кроме того, мы синтезировали версию C8 , которая содержала связи PS в нескольких незащищенных положениях, включая 15–16, 19 и 21–23 ( C9 ). Эта конструкция также продемонстрировала пониженную эффективность редактирования Cas9. При тестировании на активность расщепления ДНК in vitro, C8 и C9 были полностью активными даже при низких концентрациях RNP (дополнительный рисунок 4). Эти результаты предполагают наличие структурных нарушений в C8 и C9 , которые особенно остры во внутриклеточных условиях.

Мы также включили 2′-F-РНК в этот раунд оптимизации, так как они могут повысить термическую и нуклеазную стабильность дуплексов РНК: РНК или РНК: ДНК, а также минимально влияют на сморщивание C3′-эндо сахара ^22,23 . 2′-F может переноситься лучше, чем 2′-OMe в положениях, где 2′-ОН важен для стабильности дуплекса РНК: ДНК. По этим причинам мы синтезировали две crРНК на основе C9 , но с модификациями 2′-F в положениях 11–14 и / или 17–18 ( C10 — C11 ).Эти модификации восстанавливали часть пониженной активности C9 . Фактически, C10 (который содержал замены 2′-F в положениях 11–14 и 17–18) работал лучше, чем C11 , в котором положения 17–18 не были модифицированы. Наши результаты показывают, что замены 2′-F могут компенсировать потерю эффективности в результате высокого содержания 2′-OMe. Однако это может быть специфическим для паттерна модификации, используемого в нашем дизайне crRNA, и основные причины этой компенсации остаются неясными.Особо следует отметить, что C10 сохраняет ту же активность, что и немодифицированный CO , но содержит по меньшей мере одну модификацию основной цепи в каждой отдельной фосфодиэфирной связи. Это представляет собой значительный прорыв для терапии на основе Cas9, поскольку C10 имеет большой потенциал для обеспечения повышенной стабильности и, следовательно, более эффективного редактирования in vivo.

Мы также провели второй раунд оптимизации tracrRNA. T1 был дополнительно модифицирован путем введения замен 2′-OMe в большинстве положений, где группы 2′-OH не устанавливают кристаллические контакты с белком.Кроме того, некоторые нуклеотиды, которые взаимодействуют с Cas9, также были модифицированы, учитывая, что крРНК допускает замены во многих таких положениях. Этот подход дал tracrRNAs T2 — T5 , которые содержат модификации по крайней мере в 55 из 67 нуклеотидов. A15 — единственная позиция, которая отличается между T2 и T4 , тогда как T3 содержит дополнительные стабилизирующие связи PS в незащищенных положениях относительно T2 . Эти tracrRNA были протестированы на клетках HEK293T-TLR, и большинство химических модификаций 2′-OMe переносились tracrRNA, за исключением положения A15 (рис.2). В кристаллической структуре 2′-OH A15 взаимодействует с Ser104. Самой эффективной tracrRNA из этого раунда была T2 , которая содержит 12 немодифицированных позиций. Более того, включение PS-связей в эти 12 позиций снижает, но не отменяет активность. Эта конструкция ( T3 ) содержит по крайней мере одну химическую модификацию в каждой позиции (либо модификацию PS, либо модификацию рибозы). Это также представляет собой важный шаг вперед в терапевтическом применении Cas9. Снова интересно отметить, что, хотя T2 был полностью активен в клетках, он показал более низкую эффективность при тестировании на расщепление ДНК in vitro с использованием низких концентраций Cas9 (дополнительный рис.4). Это несоответствие предполагает, что чистая активность в клетках и in vitro может быть ограничена различными факторами или условиями.

Сигнал mCherry возникает только из-за того, что отступы создают сдвиг кадра + 1, и поэтому недооценивают истинную эффективность редактирования. Чтобы гарантировать, что комбинации crRNA: tracrRNA не дают ложноотрицательных результатов, отдавая предпочтение вкладкам TLR, выходящим за пределы рамки считывания mCherry, мы также выполнили отслеживание вкладок путем декомпозиции (TIDE) для анализа общей эффективности редактирования (дополнительный рисунок 3).Как показано на дополнительном рисунке 3, эффективность редактирования, измеренная с помощью TIDE, хорошо коррелирует с сигналом mCherry.

Концевые конъюгаты совместимы с модифицированными направляющими

Мы также исследовали, переносятся ли crRNA и tracrRNA добавление концевых модификаций, таких как флуорофоры, N, -ацетилгалактозамин (GalNAc) или холестерин-триэтиленгликоль (TEGChol). Такие модификации могут быть полезны для микроскопии и для мониторинга клеточного или тканеспецифического поглощения РНК.Мы ввели модификации 5′-Cy3 на crРНК C10 и C11 , получив C12 и C13 , соответственно (дополнительная таблица 1). Мы также ковалентно прикрепили TegChol или GalNAc к 3′-концу C12 или C13 , получив C14 и C15 соответственно. Большинство модификаций crРНК допускались на обоих концах, хотя наблюдалась некоторая потеря функции для C13 , C14 и C16 в клетках и in vitro (дополнительные фиг.3 и 4). Напротив, C15 был практически неактивным. T5 , содержащий 3′-TegChol, также оказался нефункциональным, что неудивительно с учетом замены 2′-OMe в A15.

Полная химическая модификация двойных направляющих

Мы основывались на наиболее эффективных индивидуальных химических конфигурациях ( C10 и T2 ), чтобы попытаться определить комбинированные паттерны модификации crRNA: tracrRNA, совместимые с функцией SpyCas9 RNP. Поскольку замены crРНК 2′-F в значительной степени переносились (рис.2), а в некоторых случаях даже для компенсации потери эффективности, вызванной заменами 2′-OMe, мы добавили несколько модификаций 2′-F к C10 и T2 . Кроме того, поскольку мы наблюдали, что одновременная модификация 2′-OMe в положениях 25 и 26 отрицательно влияет на эффективность в некоторых случаях (например, C8 ), мы проверили эти две позиции на их чувствительность к 2′-F или индивидуальным 2 ‘. -Обычные замены. Мы также включили дополнительные модификации 2′-F в tracrRNA.В положениях, где азотистые основания взаимодействуют с Cas9, мы использовали два подхода к модификации. Хотя мы подозревали, что сайты, взаимодействующие с белками, будут менее устойчивы к модификации, было трудно предсказать, что важнее — стерические ограничения или зарядовые взаимодействия. Чтобы решить эту проблему, мы синтезировали три разных tracrRNA: в одной все сайты, взаимодействующие с белками, остались как 2’-OH ( T6 ), в другой, где все были преобразованы в 2′-F ( T8 ), и в другой, где только азотистые основания, которые взаимодействуют с неполярными аминокислотами, были преобразованы в 2′-F ( T7 ).Используя этот систематический подход, были синтезированы и протестированы crРНК C17 — C22 и tracrRNA T6 — T8 (рис. 3a).

Рис. 3

Cas9 допускает сильно и полностью модифицированную crRNA: tracrRNA. a , b Каждую crРНК тестировали с tracrRNA T0 , T2 и T6 — T8 с использованием 20 пмоль Cas9 RNP. c Клетки HEK293T-TLR также подвергали электропорации с использованием 100 пмоль указанных РНП, чтобы проверить, восстанавливают ли сильно модифицированные РНК функциональность при более высоких дозах.Планки погрешностей показывают ± стандартное отклонение трех биологических повторов

Когда C17 — C22 использовались либо с T2 , либо с контролем T0 (20 пмоль RNP), все они показали эффективность, сравнимую с C0 и C10. crРНК (рис. 3б). Это включает полностью модифицированный C21 , который замещен 2′-F- или 2′-OMe в каждом положении. Насколько нам известно, о полностью модифицированной и полностью функциональной crRNA ранее не сообщалось. C21 теряет некоторую эффективность в сочетании с T6 — T8 , а также менее эффективен, чем C0 , когда вводятся более низкие (3 пмоль) дозы RNP (дополнительный рис.5). Эти потери могут быть связаны с нарушением спаривания оснований между сильно модифицированными дуплексами повтор: антиповтор. Из всех протестированных tracrRNA C20 демонстрирует самую высокую эффективность редактирования. Кроме того, при 3 пмоль RNP C20 более эффективен, чем немодифицированный C0 , что предполагает повышенную стабильность в клетках (дополнительный рис. 5). Хотя C20 включает шесть сахаров рибозы, каждый находится рядом с модификацией PS, не оставляя немодифицированных связей в crRNA.

Среди T6 — T8 наиболее эффективной tracrRNA была T6 , особенно с модифицированными crRNA, включая C20 .Полностью модифицированная tracrRNA ( T8 ) снижает эффективность всех протестированных crRNA, но сохраняет некоторую функцию (~ 5% редактирование с 20 пмоль RNP) с C19 и C20 (фиг. 3b). Чтобы проверить, улучшается ли активность T8 при более высоких дозах, мы электропорировали клетки с помощью 100 пмоль Cas9 RNP. Мы обнаружили, что при использовании большего количества Cas9 RNP эффективность редактирования T8 в сочетании с C0 или C20 восстанавливается до того же уровня, что и при использовании 20 пмоль Cas9 RNP с C0 : T0. (рис.3). Кроме того, при более высоких дозах эффективность C20 : T8 почти такая же высокая, как эффективность C20 : T0 . Наконец, эффективность редактирования полностью модифицированной пары ( C21 : T8 ) находится примерно в два раза по сравнению с немодифицированной парой crRNA: tracrRNA ( C0 : T0 ). Насколько нам известно, эффективное редактирование с полностью модифицированной комбинацией crRNA: tracrRNA ранее не демонстрировалось. Хотя эффективность редактирования не так высока, как у немодифицированных РНК в клетках, повышенная стабильность в сыворотке, обеспечиваемая полностью химически оптимизированной комбинацией C21 : T8 (дополнительный рис.6), вероятно, обеспечит значительные преимущества in vivo, как это наблюдается для полностью модифицированных миРНК и ASO.

Модифицированные руководства поддерживают редактирование генома в эндогенных локусах

Чтобы убедиться, что наши конструкции крРНК совместимы с различными направляющими последовательностями, включая те, которые нацелены на эндогенные гены человека, мы протестировали конструкции C10 , C20 и C21 , нацеленные на гены хантингтина ( HTT ), человеческого гемоглобина β ( HBB ) и фактора роста эндотелия сосудов А ( VEGFA ) ^14,24 .Сайты-мишени VEGFA и HBB были выбраны из-за их терапевтического потенциала, а также того факта, что они были ранее валидированы для редактирования генома. С другой стороны, сайт HTT является потенциальной полиморфной мишенью для лечения болезни Хантингтона. Как показано на рис. 4a, b, HTT- C10 и HTT -C20 работали так же, как минимально модифицированный HTT — C0 в паре с T2 и T0 . T6 и T7 более эффективны с модифицированным C10 по сравнению с минимально модифицированным C0 . Полностью модифицированный HTT — C21 работал так же хорошо, как HTT- C0 при тестировании с T2 . Однако, как и в случае с целевым сайтом TLR, наблюдается некоторая потеря активности полностью модифицированного T8 . Однако T8 поддерживал редактирование с эффективностью, сравнимой с T0 в паре с C20 .Аналогичные результаты были получены на сайтах-мишенях HBB и VEGFA (рис. 4c, d): наши эффективные конструкции РНК ( C20: T2 ) были выполнены так же, как и минимально модифицированные конструкции, и полностью модифицированные двойные направляющие показали некоторая потеря потенции. Кроме того, электропорация, выполненная с использованием 3 пмоль РНП, показала, что C10 и C20 могут быть более эффективными (но никогда не менее эффективными), чем немодифицированная crRNA, аналогично тому, что наблюдалось на дополнительном рис.4, но этот эффект, по-видимому, варьировался между целевыми сайтами (дополнительный рис. 7). C20 также показал более высокую эффективность по сравнению с C0 при тестировании на эмбриональных стволовых клетках человека (hESC) (рис. 4e). В hESC наивысшая эффективность была достигнута при использовании сильно модифицированной комбинации C20 : T2 . Кроме того, полностью модифицированная crРНК C21 была такой же эффективной, как и минимально модифицированная C0 . Мы также исследовали редактирование в клетках HEK293T в верхнем нецелевом сайте как для HBB , так и для VEGFA , как было подтверждено ранее ^14,24 .Модифицированные crRNA не оказывают значительного влияния на редактирование вне мишени, хотя полностью модифицированный C21 : T8 может обеспечивать небольшие улучшения специфичности по сравнению с менее сильно модифицированными конструкциями (дополнительный рис. 8). В совокупности эти результаты демонстрируют, что наши модифицированные конструкции crRNA могут быть применены к эндогенным сайтам-мишеням.

Рис. 4

Нацеливание на эндогенные гены с помощью модифицированных РНК. a Дизайн направляющей C10 , нацеленный на HTT экзон 50, был протестирован с использованием 20 пмоль RNP вместе с T2 и T6 — T8 в клетках HEK293T. b HTT — C20 и HTT — C21 Конструкции были протестированы с использованием 80 пмоль Cas9 RNP с указанными tracrRNA. c Терапевтически релевантный локус HBB был нацелен с использованием ранее проверенной направляющей последовательности, включенной в дизайн C20 . d , e VEGFA -направляющие crРНК C20 и C21 были протестированы с использованием указанных tracrRNAs с 80 пмоль РНП в клетках HEK293T ( д ) или 60 пмоль РНП 928 в hESC ).Индели рассчитывались с помощью TIDE. Столбики показывают средние значения (± стандартное отклонение) по крайней мере трех биологических повторов.

Ранее было показано, что crRNA и tracrRNA могут быть слиты с тетрапетлей GAAA или другими линкерами для получения однонаправленной РНК (sgRNA) с повышенной эффективностью. Учитывая возможность того, что взаимодействия повтор: антиповтор могут влиять на эффективность, мы исследовали спаривание между повтором и антиповтором crRNA и tracrRNA. Мы разработали и синтезировали GC-богатые crРНК ( hiGC C1 — C4 ) и tracrRNA ( hiGC T1 — T4 ) для улучшения спаривания между crRNA и tracrRNA.Все модифицированные РНК превосходили транскрибируемую in vitro sgRNA, а также синтетические немодифицированные двойные РНК (дополнительный рис. 9). Кроме того, при более низких концентрациях hiGC C1 проявлял повышенную эффективность по сравнению с неоптимизированными версиями немодифицированных или модифицированных РНК (дополнительный рисунок 9). Однако эта тенденция не сохраняется в HTT — hiGC C1 (дополнительный рисунок 9). Следовательно, эти мутантные последовательности могут превосходить последовательности дикого типа в отношении специфичности направляющей последовательности.

Модифицированные направляющие поддерживают точное редактирование

Многие приложения для инженерии генома требуют точного редактирования генома. Для точной репарации может быть предоставлена ​​донорская ДНК, которая действует как матрица для гомологически направленной репарации (HDR) Cas9-опосредованного DSB. Система TLR ²¹ позволяет использовать донора, который восстанавливает функциональную последовательность GFP, обеспечивая зеленую флуоресценцию (восстановление NHEJ в этих условиях по-прежнему дает экспрессию mCherry и красную флуоресценцию, поэтому оба результата восстановления можно оценивать одновременно).Чтобы убедиться, что наши модифицированные конструкции РНК совместимы с HDR, мы протестировали crРНК C0 , C10 , C20 и C21 в сочетании с tracrRNA T0 , T2 или T829358 в HEKK. -TLR клетки. В этом случае мы также предоставили донорскую матрицу длиной 800 п.н., которая содержит последовательность GFP (рис. 5а). Наши полностью и сильно модифицированные конструкции crРНК ( C10 , C20 и C21 ) в сочетании с T0 или T2 поддерживали HDR с сопоставимой эффективностью с модифицированным концом C0 (рис.5б). Хотя T8 поддерживал HDR на уровнях выше фонового (рис. 5b и дополнительные данные 1), индукция GFP была относительно неэффективной. Это может быть связано с более низким общим редактированием с 20 пмолей Cas9 RNP (рис. 5c), как описано выше. Как и в случае восстановления NHEJ, HDR-активность полностью модифицированного C21 : T8 была восстановлена ​​с использованием высокой дозы Cas9 (рис. 5d). Эти эксперименты демонстрируют, что наши полностью и сильно модифицированные РНК могут использоваться для точного редактирования генома.

Рис. 5

Сильно и полностью модифицированные РНК поддерживают точное редактирование генома. a Схема гомологически направленной репарации, опосредованной Cas9, в клетках HEK293T-TLR. Клетки подвергали электропорации с 20 пмолей Cas9 RNP и 400 нг донора 800 п.н. (фрагмент ПЦР). Точная репарация DSB приводит к экспрессии GFP ( b ), а NHEJ-опосредованный сдвиг рамки считывания +1 приводит к экспрессии mCherry ( c ). d Полностью модифицированные двойные направляющие C21 : T8 были протестированы с использованием 100 пмолей Cas9 RNP, чтобы проверить, восстанавливают ли полностью модифицированные РНК активность HDR при более высоких дозах.Столбики показывают средние значения (± стандартное отклонение) трех биологических реплик.

Тепловые характеристики, анализ кристаллического поля и характеристики лазера с внутриполосной накачкой для неупорядоченных лазерных кристаллов NaY (WO4) 2, легированного Er

Цитата: Serrano MD, Cascales C, Han X, Zaldo C, Jezowski A, Stachowiak P и др. (2013) Термические характеристики, анализ кристаллического поля и характеристики лазера с внутриполосной накачкой для NaY, легированного Er (WO ₄ ) ₂ Неупорядоченные лазерные кристаллы. PLoS ONE 8 (3):
e59381.https://doi.org/10.1371/journal.pone.0059381

Редактор: Цзе Чжэн,
Университет Акрона, Соединенные Штаты Америки

Поступила: 20.12.2012; Принята к печати: 14 февраля 2013 г .; Опубликовано: 21 марта 2013 г.

Это статья в открытом доступе, свободная от всех авторских прав, и ее можно свободно воспроизводить, распространять, передавать, изменять, строить или иным образом использовать в любых законных целях.Работа сделана доступной по лицензии Creative Commons CC0 как общественное достояние.

Финансирование: Эта работа была частично поддержана контрактом USAITC W911NF-10-1-0234 и Министерством экономики и конкурентоспособности Испании в рамках проекта MAT2011-29255-C02-01. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что конкурирующих интересов не существует.

Введение

Неупорядоченные монокристаллы, легированные лантаноидами, привлекают все большее внимание в связи с их высоким потенциалом в качестве усиливающей среды в твердотельных лазерах. Большая ширина полосы оптического перехода, присущая сосуществованию распределения кристаллических полей (CF) вокруг оптически активного иона, оказалась полезной для лучшего приспособления полосы излучения диодных лазеров (DL), используемых в настоящее время для оптической накачки. Это спектроскопическое свойство также очень желательно для работы сверхбыстрых (fs) лазеров с синхронизацией мод.По сравнению со стеклами монокристаллы обычно имеют лучшие термооптические и спектроскопические параметры, такие как лучшая теплопроводность ( κ ) и более высокое сечение эмиссии ( σ ).

Неупорядоченные семейства кристаллов, рассмотренные до сих пор для этой цели, включают кристаллы с гексагональной структурой апатита Sr ₂ Y ₈ (SiO ₄ ) ₆ O ₂ (температура плавления, т.пл. 2173 K, κ = 1,6 // а -2.85 // c Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) [1], тетрагональный мелилит SrLaGa ₃ O ₇ (т.пл.2033 K, κ = 1,95 // a -1,7 // c Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) [2], CaGaAlO ₄ (т.пл.1973 K, κ = 6.9 // a -6.3 // c Wm ⁻¹ K ⁻¹ для 2 ат.% Yb) [3], оксобораты Ca ₄ Gd (или Y) O (BO ₃ ) ₃ (т.пл.1753 K, κ = 2.1 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ) [4], [5], [6], Ca ₃ (NbGa) _2-x Ga ₃ O ₁₂ гранат (т. Пл. 1743 K, κ = 4,7 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ для 2 мас.% Неодима) [7], [8] и тетрагонального двойного вольфрамата NaY (WO ₄ ) ₂ (т. Пл. 1473 K, κ = 1.062 // a -1.166 // c Wm ^-1 K ^-1 для 5 ат.% Yb-легированного) [9], [10], [11]. Все эти кристаллы плавятся конгруэнтно и могут быть выращены технологически желаемым методом Чохральского.Преимущество последнего двойного вольфрамата заключается в его значительно более низкой температуре плавления, что упрощает рост кристаллов (в качестве материала тигля можно использовать платину вместо иридия, а в качестве атмосферы для выращивания можно использовать воздух). При комнатной температуре большинство этих неупорядоченных кристаллов имеют относительно низкую теплопроводность, которая, как сообщается, также уменьшается при легировании, поэтому активное охлаждение кристаллов важно для стабильной работы мощного лазера.

Криогенное охлаждение при 77 К в настоящее время считается жизнеспособным средством, облегчающим масштабирование мощности для работы лазера непрерывного (непрерывного) режима (непрерывного) класса мощностью в несколько кВт [12].Неудобство использования жидкого азота уравновешивается улучшением рабочих характеристик за счет увеличения пикового сечения поглощения и эмиссии трехвалентных лантаноидов (Ln ³⁺ ) при снижении температуры. Однако спектральная ширина полос поглощения Ln ³⁺ обычно сужается с увеличением их пикового поглощения. Это делает использование неупорядоченных кристаллов более желательным для более полного использования оптической мощности, создаваемой ДЛ накачки.С этой точки зрения кристаллы со средней прочностью CF предпочтительнее, чем кристаллы с высокой прочностью CF, потому что при 77 К компромисс между шириной линии полосы и интенсивностью поглощения, как ожидается, будет легче найти.

Для дальнейшего уменьшения нагрева кристаллов во время работы лазера и снижения требований к охлаждению разрабатываются твердотельные лазеры с резонансной (внутриполосной) накачкой. Эта схема накачки сводит к минимуму разницу энергий между поглощенными фотонами накачки и излученными стимулированным излучением, т.е.е. кристаллы имеют низкий «квантовый дефект». Наиболее типичными примерами этой схемы работы лазера являются ² F _7/2 ↔ ² F _5/2 операция Yb ³⁺ (λ≈1,06 мкм) [13], и более поздние ⁵ I ₈ ↔ ⁵ I ₇ работа Ho ³⁺ (λ≈2,07 мкм) [14], ³ F ₃ ↔ ³ H ₄ работа Pr ³⁺ (λ≈1,65 мкм) [15] и ⁴ I _15/2 ↔ ⁴ I _13/2 работа Er ³⁺ (λ≈1.60 мкм) [16], [17], которым уделяется все больше внимания. Диапазон излучения около 1,60 мкм представляет особый интерес для распространения на большие расстояния в атмосфере.

Таким образом, работа лазера на неупорядоченных кристаллах, легированных Ln ³⁺ , с внутризонной накачкой ДЛ при 77 К, воспринимается как наиболее оптимизированный подход к масштабированию мощности твердотельных лазеров. К сожалению, рост и характеристика неупорядоченных кристаллов все еще недостаточно изучены, а их физические свойства при температуре ниже комнатной либо неизвестны, либо недостаточно изучены.В данной работе мы исследовали температурную эволюцию тепловых параметров и спектроскопических характеристик монокристаллов NaY, легированных Er (WO ₄ ) ₂ при температурах ниже 300 К. WO ₄ ) ₂ с прямой внутриполосной накачкой с помощью DL InGaAsP / InP при комнатной температуре и температуре жидкого азота.

Материалы и методы

1. Рост кристаллов

Кристаллы NaY, легированные Er (WO ₄ ) ₂ были выращены методом Чохральского на воздухе.Ранее соединение было синтезировано твердофазной реакцией из Na ₂ CO ₃ (99,5%), Y ₂ O ₃ (99,9%), Er ₂ O ₃ (99,99%) и WO ₃ (99,5%) исходных материалов. Исходные соединения были отожжены для удаления влаги перед взвешиванием, а затем смешаны в соответствующем составе. Для синтеза смесь сначала отжигали при 1023 К в течение 18 ч и охлаждали до комнатной температуры, этот продукт измельчали ​​и далее отжигали до 1123 К в течение 24 ч.Фазу полученного соединения контролировали порошковой дифракцией рентгеновских лучей. После этого 1,5 мас.% Na ₂ W ₂ O ₇ были смешаны с синтезированным соединением NaY, легированным Er (WO ₄ ) ₂ , чтобы снизить температуру плавления и облегчить затравку кристаллов. и для компенсации возможных потерь Na и W при испарении в процессе роста. В целом это обеспечило значительное улучшение оптической прозрачности кристалла.

Для выращивания кристаллов эту смесь расплавляли в платиновом тигле с использованием вертикальной резистивной печи.В качестве затравки использовали нелегированный кристалл NaY (WO ₄ ) ₂ , ориентированный в направлении [100]. Во время выращивания температура тигля была связана с потерей массы тигля для поддержания постоянного диаметра кристалла. Скорость вращения семян в процессе роста составляла 10 об / мин. скорость вытягивания кристалла составляла 1,6 мм / ч. Выращенный кристалл охлаждали до комнатной температуры со скоростью 10 К / ч. В таблице 1 приведен состав выращенных кристаллов. На рис. 1а показан полученный кристалл, а на рис. 1б — полированный образец, вырезанный из него и использованный для лазерных экспериментов.

Фазовая и кристаллическая структура монокристаллов, легированных Er, охарактеризованы методом порошковой дифракции рентгеновских лучей. Для этого монокристаллы шлифовали и проводили дифракционное сканирование при комнатной температуре на дифрактометре Bruker D8 Advance. Сканы 2θ получали в диапазоне 2θ = 10–65 °, с шагом 2θ 0,05 ° и с использованием времени интегрирования 1,5 с на каждом шаге 2θ. Результаты этих анализов сравнивались с результатами, полученными для нелегированного кристалла [18], взятого за образец.Для ясности на рисунке 2 показано сравнение только нелегированных кристаллов и кристаллов, легированных 15 ат.% Er, остальные составы Er из таблицы 1 показали аналогичные результаты. Очевидно, что кристаллы, легированные Er, изоструктурны нелегированному эталону. Структура кристалла NaY (WO ₄ ) ₂ была определена методом дифракции рентгеновских лучей на монокристалле в предыдущей работе [18]. Было показано, что этот кристалл принадлежит к тетрагональной бесцентрально-симметричной пространственной группе с удельными факторами заселенности 2 b и 2 d позиций одновременно катионами Na и Y (и Er).Используя эту структурную модель, мы выполнили уточнения Ритвельда [19], чтобы они соответствовали экспериментальным данным дифракции профиля. Разница между экспериментальными и смоделированными данными была небольшой во всех случаях, см., Например, рисунок 2. Подгонки предоставили параметры кристаллической решетки для каждого состава Er, см. Таблицу 1. Как и ожидалось, исходя из меньших ионных радиусов восьмикоординированного Er ^3+. (1,004 Å), чем для Y ³⁺ (1,019 Å), объем решетки тетрагональной ячейки уменьшается с увеличением состава Er.

Рис. 2. Сканирование порошковой дифракции рентгеновских лучей нелегированных кристаллов NaY (WO ₄ ), легированных 15 ат.% Er (WO ₄ ) ₂ (черные линии). экспериментальные данные (штриховая линия).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0059381.g002

Концентрация Er ([Er]) в кристаллах с [Er] ≥ 1 ат.% была определена с помощью рентгеновской флуоресцентной спектроскопии (XRFS) по следующей формуле: процедуры, описанные ранее [20].Концентрация эрбия в кристалле с 0,02 ат.% Er в расплаве была определена путем сравнения его интегрального оптического поглощения 300 K ⁴ F _9/2 с таковыми для кристаллов с большим [Er]. Коэффициент сегрегации Er ( K = [Er] _MELT / [Er] _CRYSTAL ) близок к единице для всех кристаллов с [Er] _MELT ≥ 1 ат.% И несколько уменьшается по мере роста. Это помогает сохранить состав расплава и, следовательно, улучшить качество кристаллов и равномерное распределение эрбия в кристалле.В дальнейшем мы будем называть эти кристаллы их номинальным составом Er (ат.%) В расплаве.

2. Теплофизические измерения

Удельная теплоемкость при постоянном давлении ( c _p ) была измерена ниже комнатной температуры с помощью системы измерения физических свойств Quantum Design и выше комнатной температуры с помощью оборудования TA Instruments DSC Q-100. Во втором случае использовался изотермический режим работы, сапфир был взят за эталон, и каждый отчетный результат представляет собой среднее значение четырех измерений.

Эволюция теплопроводности с температурой κ ( T ) нелегированных, 1 ат.% Er и 15 ат.% Er-легированных кристаллов NaY (WO ₄ ) ₂ кристаллов была измерена с помощью стационарного метод продольного теплового потока [21] в диапазоне T = 4–360 К. Кристаллические образцы в виде прямоугольных стержней размером ≈3 × 3 × 15 мм ³ были установлены в криостат с жидким гелием для исследования распространения тепла по длине образца, по кристаллографическим осям a или c .Падение температуры между противоположными гранями образца не превышало 0,2 К, и были предприняты особые меры для устранения паразитного теплового потока между образцом и окружающей средой. Для этой цели использовалась система из четырех теплозащитных экранов, окружающих образец, и градиент температуры вдоль самого внутреннего из них поддерживался близким к градиенту на образце. Также к этому экрану были термически подключены все необходимые провода, прикрепленные к образцу. Чтобы избежать неконтролируемых потерь тепла из-за конвекции, измерения проводились в условиях высокого вакуума (≈10 ⁻⁷ мбар).

3. Оптические спектроскопические измерения

Измерения оптического поглощения (ОА) и фотолюминесценции (ФЛ) были выполнены в диапазоне температур 7–300 К с использованием гелиевого криостата замкнутого цикла. ОА измеряли с помощью спектрофотометра Varian, модель Cary 5E, световой луч которого фильтровали с помощью кальцитового поляризатора Глана-Тейлора. Для измерений ФЛ λ≈1,5 мкм излучение диспергировалось в спектрометре SPEX 340E ( f = 34 см) и регистрировалось фотоумножителем Hamamatsu, модель H9170-75, подключенным к синхронизирующему усилителю.

Дальнейшие измерения OA и PL были выполнены специально при 77 K. В этом случае криостат Oxford flux, работающий на жидком азоте, использовался для обеспечения температуры во время экспериментов OA. Спектр ФЛ при 77 К был получен путем освещения кристалла NaY, легированного 0,02 ат.% Er (WO ₄ ) ₂ , излучением DL 970 нм и сбора излучения с помощью анализатора оптического спектра Yokogawa, модель AQ6370. Между образцом и собирающей оптикой был вставлен поляризационный светоделитель для разделения π- и σ-поляризованного излучения.

В соответствии с тетрагональным характером кристалла экспериментальные спектры можно обозначить как α ( E и B ⊥ c -ось), σ ( E // a — ось и B // c -ось) или π ( E // c -ось и B // a -ось), где E и B — электрическое и магнитное поля света соответственно.

4. Лазерные измерения

Лазерные эксперименты проводились с кристаллом NaY, легированным 1 ат.% Er (WO ₄ ) ₂ с размерами 2,8 × 7 × 10 мм, см. Рис. 1b. На грани размером 7 × 10 мм было нанесено просветляющее (AR) покрытие для спектрального диапазона 1480–1620 нм. Для измерений при криогенных температурах кристаллы устанавливались на медный холодный палец внутри криостата с жидким азотом для кипячения и охлаждались до ∼79 К. Для измерений при комнатной температуре кристаллы помещались на водоохлаждаемую медную подставку и охлаждались токопроводящим способом. до 291 К.

Кристаллы продольно накачивались модулем DL, который испускал коллимированный пучок, доставляющий до 17 Вт мощности непрерывной π-поляризованной накачки с выходным спектром с центром на 1501 нм. Несуженная выходная полоса пропускания этого InGaAsP / InP DL-модуля, используемого в наших лазерных экспериментах, составила ∼20 нм FWHM. Модуль состоит из 10 одиночных излучателей, объединенных в свободном пространстве в единый поляризованный пучок с расходимостью ∼7 мрад как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Каждый одиночный эмиттер InGaAsP / InP излучает с выходной спектральной полосой пропускания 10–12 нм на полувысоте, типичной для этого материала, но несколько эмиттеров для этого модуля не были предварительно выбраны так, чтобы они имели одинаковую длину волны пика при одинаковой температуре.Таким образом, интегральная спектральная полоса пропускания модуля составляет ~ 20 нм на полувысоте из-за дисперсии в положениях пиков излучателя одиночного диода. Более подробная информация об экспериментальных лазерных методах приводится ниже.

Результаты и обсуждение

1. Теплофизические свойства

На рис. 3 показаны результаты измерений c _p , полученные для кристалла NaY, легированного 1 ат.% Er (WO ₄ ) ₂ . Удельная теплоемкость показывает типичное поведение диэлектрического кристалла как с точки зрения зависимости от температуры ( T ), так и ее значения.

Рис. 3. Температурная эволюция теплоемкости ( c _p ) кристалла NaY, легированного 1 ат.% Er (WO ₄ ) ₂ при охлаждении от 700 K до 4 K. c _p для T> 298 K, черные сплошные квадраты; c _p для T <298 K, красные белые кружки.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0059381.g003

На рисунке 4 показаны результаты измерений κ ( T ).Форма и величина κ ( T ) очень сильно отличаются от тех, которые наблюдаются для типичного диэлектрического монокристалла относительно хорошего качества. Изменение κ исследуемых кристаллов NaY (WO ₄ ) ₂ не превышает 100% во всем исследованном температурном диапазоне, в то время как обычно κ изменяется на несколько порядков величины. От низкой температуры κ увеличивается с температурой и показывает максимум при T ≈ 8 K.Такой максимум является типичной характеристикой теплопроводности кристалла и обусловлен взаимодействием между возрастающей (с температурой) энергией фононов и увеличением интенсивности трехфононного рассеяния, также известного как U-процессы, в которых импульс созданного фонона противоположен сумме импульсов двух взаимодействующих фононов, что приводит к сильному тепловому сопротивлению [21]. Для диэлектрического кристалла при температурах, значительно превышающих максимальные, U-процессы также доминируют в теплопроводности и вызывают ее изменение как T ^{— η} , где η ≈1.Однако в кристаллах NaY (WO ₄ ) ₂ , исследованных здесь, после начального падения, следующего за максимумом, теплопроводность достигает своего минимума при температуре около 70 К, а затем снова начинает расти с температурой. Это увеличение нельзя объяснить типичными механизмами переноса тепла в решетке.

Рис. 4. Эволюция теплопроводности нелегированных (□), 1 ат.% Er- (○) и 15 ат.% Er- (Δ) кристаллов NaY (WO ₄ ) ₂ при охлаждении от 360 K до 4 К.

Распространение тепла параллельно оси c (a) и a оси (b). Линия на (b) показывает для сравнения кристалл NaY (WO ₄ ) ₂ , легированный 1 ат.% Er, κ ( T ) // c .

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0059381.g004

Для дальнейшего анализа экспериментальных результатов мы будем использовать выражение, происходящее из кинетической теории газов, которое позволяет нам записать теплопроводность κ как (1) где ρ = 6.616 Mg / m ³ — плотность кристалла NaY (WO ₄ ) ₂ , v — скорость звука (для NaY (WO ₄ ) ₂ , v // a = 4700 м / с и v // c = 4190 м / с) [22] и ℓ — длина свободного пробега фонона. Из приведенного выше выражения можно найти, что с увеличением температуры ℓ уменьшается до значения константы насыщения, вызывая минимум κ около 70 К (для 1 ат.% NaY, легированного Er (WO ₄ ) ₂ , κ // a = 1.20 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ и κ // c = 1,27 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ ), а для более высоких температур эволюция κ ( T ) зависит от c _р ( Т ). С учетом значений теплопроводности при комнатной температуре (для NaY, легированного 1 ат.% Er (WO ₄ ) ₂ , κ // a = 1,47 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ и κ // c = 1,62 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ ) и c _p (300 K) = 0.3868 Jg ^-1 K ^-1 , значения насыщения средней длины свободного пробега фононов дают ℓ // a = 3,6 Å и ℓ // c = 4,5 Å. Независимость длины свободного пробега фононов от температуры в высокотемпературной области является особенностью стеклообразной структуры [23] (в кристаллах длина свободного пробега фононов изменяется при этих температурах примерно как T ⁻¹ ). Таким образом, несмотря на это с макроскопической точки зрения исследованные кристаллы демонстрируют типичные черты монокристаллов, такие как выраженная анизотропия физических констант и хорошо выраженные пики дифракции рентгеновских лучей, с точки зрения тепловых свойств NaY (WO ₄ ) ₂ — это скорее стеклообразная структура, чем кристалл.При самых низких исследованных температурах, когда в стеклах наблюдается плато теплопроводности небольшого значения коэффициента κ ≈ 0,1 Вт · м ⁻¹ K ⁻¹ , некоторые «кристаллические» характеристики исследуемых образцов, такие как появляется небольшой максимум, о котором говорилось выше. Доминирующий стекловидный характер исследованных кристаллов также объясняет очень незначительное влияние легирования эрбием на теплопроводность. Ввиду небольших изменений, наблюдаемых при увеличении концентрации Er, происхождение рассеяния фононов должно быть связано с наличием множественных локальных расположений ионов из-за почти случайного распределения Na и Y по 2 d и 2 b сайтов кристаллической структуры NaY (WO ₄ ) ₂ .[18].

При комнатной температуре анизотропия κ , показанная на рисунке 4b ( κ // a < κ // c ), качественно согласуется с предыдущими результатами, полученными с использованием метода лазерной вспышки для 5 ат.% Yb-легированного NaY (WO ₄ ) ₂ [11] и кристаллы NaGd, легированные Yb (WO ₄ ) ₂ [24], однако абсолютные значения κ , полученные методом теплового потока, немного больше. Эта анизотропия становится меньше с понижением температуры образца и в конечном итоге ее знак меняется, т.е.е., ниже определенной температуры κ // a > κ // c . Такое низкотемпературное поведение анизотропии может быть связано с четким расположением полиэдров (Na / Y) O ₈ и WO ₄ , образующих кристаллографическую структуру NaY (WO ₄ ) ₂ . Вдоль направления [100] более жесткие многогранники WO ₄ с короткими (≈1,8 Å) прочными ковалентными связями W-O чередуются с полиэдрами (Na / Y) O ₈ со значительно большим расстоянием связи (≈2.4 Å), напротив, направление [001] характеризуется наличием димерных 2 (Na / Y) O ₈ единиц, имеющих общие края.

2. Er

³⁺ Уровни энергии

Последовательность штарковских энергетических уровней Er ³⁺ была получена из анализа спектров ОА и ФЛ при 7–300 K. Штарковские уровни возбужденных мультиплетов ^{2S + 1} L _J определялись их основным состоянием ⁴ I _15/2 → ^{2S + 1} L _J OA. Подуровни мультиплета ⁴ I _15/2 были определены из ⁴ I _13/2 → ⁴ I _15/2 λ ≈ 1.ФЛ 5 мкм, измеренная в кристалле NaY, легированном 0,02 ат.% Er (WO ₄ ) ₂ при возбуждении на λ = 520 нм ( ⁴ I _15/2 → ² H _11/2 ), в этом кристалле ожидается минимизация повторного поглощения ФЛ. На рисунке 5 показаны экспериментальный коэффициент OA 7 K ( α ) и результаты ФЛ кристалла NaY, легированного Er (WO ₄ ) ₂ , а в таблице 2 приведены относительные энергии наблюдаемых штарковских уровней. Более того, изменение 7–300 K ² H _11/2 OA, показанное на рис. 6, было использовано для подтверждения и дополнения измерений 7K PL.

Кристаллическая структура NaY (WO ₄ ) ₂ содержит две позиции, 2 b и 2 d, с точечной симметрией S ₄ , которые являются общими для Na ⁺ , Y ³⁺ и Er ³⁺ [18]. Несмотря на некоторые специфические краткосрочные распределения Na ⁺ и Y ³⁺ , которые могут даже предполагать симметрию сайта ниже, чем S ₄ вокруг центров Er ³⁺ , наблюдаемые оптические переходы Er ³⁺ , показанные на рисунке 5 все еще сохраняют четко определенный характер поляризации S ₄ относительно главных осей матрицы.Каждый уровень Штарка ^{2S + 1} L _J (ń) (который является дважды вырожденным, т.е. дублетами Крамерса) может быть помечен неприводимым представлением (IR), либо Γ _5,6 , либо Γ _7,8 . Количество полос (каждая с IR), ожидаемое для данного перехода Er ^{3 + 4} I _15/2 (0) → ^{2S + 1} L _J (ń), представлено в таблице 3. Состояние поляризации света, которое требуется для поглощения для данного перехода, описано в таблице 4.Учитываются только электрические дипольные (ЭД) переходы, поскольку спектры α и σ оказались эквивалентными. σ-спектр показывает все переходы независимо от ИК начального и конечного состояний. Напротив, π-спектры показывают только переходы между уровнями с разными ИК. Эмпирический анализ этих результатов не лишен неопределенности: a) Для некоторых нескольких мультиплетов, например, ⁴ I _15/2 , ² H _11/2 или ⁴ G _11/2 , количество наблюдаемых полос меньше, чем соответствующих возбужденных штарковских уровней.б) ИК-спектр земли ⁴ I _15/2 (0) Штарковский уровень не может быть определен напрямую, поскольку не существует возбужденного мультиплета с J = 1/2.

Чтобы рационализировать спектроскопию Er ³⁺ , энергии штарковских уровней от ⁴ I _15/2 до ⁴ G _7/2 были смоделированы с использованием одноэлектронной модели CF с учетом средний потенциал S ₄ , описанный ранее [25]. Этот потенциал одновременно учитывает эффекты свободных ионов (FI) и CF, используя весь базисный набор из 4f ¹¹ волновых функций.Er ³⁺ наблюдаемых уровней энергии (E _o ) были распределены по двум подматрицам в соответствии с их экспериментально заданным IR, которые были диагонализованы отдельно в процессе подбора. Полный гамильтониан включает 26 параметров, но среди них некоторые параметры FI оставались постоянными посредством подгонки, в то время как другие были ограничены изменяться в определенных пределах, а количество параметров CF, налагаемых симметрией, значительно уменьшилось, только пять действительных и один комплексный . Таким образом, разумный расчет всех взаимодействий обеспечивается достаточным количеством экспериментально определенных уровней Штарка Er ³⁺ .

Окончательное моделирование очень адекватно воспроизводит экспериментальную последовательность уровней, с общим согласием σ = 10,7 см ⁻¹ , и ни в одном случае не было обнаружено отдельных больших расхождений между E _o и рассчитанными (E _c ) уровнями энергии. . Эта неопределенность мала, учитывая точность экспериментальных данных, обусловленную большой шириной линии. Расчетные значения энергии приведены в таблице 2, а в таблице 5 приведены скорректированные параметры FI и CF. Уверенность в полученных феноменологических параметрах и физическом смысле подгонки также подтверждается очень похожими результатами предыдущих расчетов, выполненных для той же конфигурации 4f ¹¹ в другой изоструктурной МТ (XO ₄ ) ₂ (M = Li или Na, T = Bi, X = Mo или W) хосты [25], [26] или для более близкой конфигурации 4f ¹³ Yb ³⁺ в том же хосте [27].

Функции распределения ( Z ) мультиплетов ⁴ I _15/2 и ⁴ I _13/2 , участвующих в излучении 1,5 мкм, могут быть получены из энергий уровней, приведенных в таблице 2, как (2) где d _k = 2 из-за двойного вырождения дублетов Крамерса, E _k — энергия данного штарковского уровня относительно минимальной энергии его мультиплета, k _B — постоянная Больцмана; T — температура.Значения Z, полученные для мультиплетов ⁴ I _15/2 и ⁴ I _13/2 , равны 9,38 и 9,20 соответственно.

3. Спектроскопические свойства, относящиеся к лазеру с резонансной накачкой ∼1,6 мкм

T = 77 K — удобная температура криогенного охлаждения из-за широкой доступности жидкого азота, который можно отогнать из воздуха. Целью этого раздела является оценка спектроскопических параметров Er ³⁺ в NaY (WO ₄ ) ₂ при этой температуре.На рис. 7 показано сечение поглощения 77 K ⁴ I _13/2 , σ _ABS = α / [Er] для σ- и π-поляризации. Наибольшее поглощение, σ _ABS = 5,3 ± 0,2 × 10 ⁻²⁰ см ² , получается при λ = 1501 нм для π-поляризации с полной шириной на полувысоте (FWHM) для свертки несколько перекрывающихся пиков 17,5 нм.

Рис. 7. 77 K ⁴ I _13/2 Сечение поглощения монокристалла NaY, легированного Er (WO ₄ ) ₂ (линии) для π (a) и σ (b) поляризаций.

Несуженное излучение диодного лазера InGaAsP / InP показано для сравнения (красные точки). На вставке показана тепловая эволюция сечения поглощения на λ = 1501 нм для π-поляризованного света, точки — экспериментальные результаты, а линия — аппроксимация экспоненциальной функции.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0059381.g007

Снижение температуры образца от комнатной температуры (300 K) до температуры жидкого азота (77 K) приводит к значительному увеличению сечения пика поглощения переход ⁴ I _15/2 → ⁴ I _13/2 , и почти бесструктурная широкая полоса поглощения наблюдается при 1501 нм, см. рисунок 7a.Поглощение при 77 K складывается из перекрытия нескольких пиков и демонстрирует почти идеальное совпадение со спектром излучения нашего спектрально не суженного модуля InGaAsP / InP DL со спектральной полосой FWHM ≈ 20 нм, используемого для накачки Er ^{. 3+} : NaY (WO ₄ ) ₂ лазер.

Большие сечения пиков могут быть получены при дальнейшем охлаждении образца до температуры жидкого гелия, но при этом появляются две хорошо разрешенные полосы и центральный минимум с эффективностью поглощения, вдвое меньшей, чем у ближайших максимумов, поэтому излучение ДЛ не может настолько эффективно поглощаются при заданной толщине образца.На фиксированной длине волны λ = 1501 нм поглощение образца следует экспоненциальной функции, связанной с распределением Больцмана электронной заселенности мультиплета ⁴ I _15/2 , см. Вставку на рис. 7a.

Сечение эмиссии на переходах ⁴ I _13/2 → ⁴ I _15/2 было получено сшиванием результатов взаимности [28] (1470–1551,8 нм) (3) ( E _zl — энергия перехода 0 → 0 ‘) и Фухтбауэра-Ланденбурга [29] (1551.8–1640 нм) с использованием измеренных ФЛ и времени жизни (см. Ниже) коллектора ⁴ I _13/2 : (4) где τrad — радиационное время жизни состояния 4I _13/2 Er ​​ ³⁺ , n — показатель преломления [30] кристалла, I (λ) — интенсивность флуоресценции в произвольных единицах, λ — средняя длина волны излучения, c — скорость света и β — коэффициент ветвления, соответствующий переход 4I _13/2 → 4I _15/2 (β = 1).

На рисунке 8 показано поляризационное разрешение ⁴ I _13/2 → ⁴ I _15/2 сечения эмиссии кристалла NaY, легированного Er (WO ₄ ) ₂ в диапазоне длин волн 1470 –1640 нм при 77 К и 300 К.Сечение пика излучения кристалла NaY (WO ₄ ) ₂ , легированного Er, при 77 K в диапазоне длин волн 1560–1630 мм для π-поляризации (0,8 × 10 ⁻²⁰ см ² ) равно немного выше, чем у σ-поляризованных (∼ 0.65 × 10 ⁻²⁰ см ² ), и смещен в длинноволновую область по сравнению со спектром σ-поляризованного излучения.

Рис. 8. Поляризационно разрешенные сечения излучения монокристалла ⁴ I _13/2 → ⁴ I _15/2 Er ​​ ³⁺ в NaY (WO ₄ ) ₂ измерения при 77 К (красная сплошная линия) и 300 К (черная пунктирная линия): (а) π-поляризованные спектры, (б) σ-поляризованные спектры.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0059381.g008

Сечение усиления σ _GAIN = Ψσ _EMI — (1− Ψ ) σ _ABS Отношение Ψ , являющееся отношением между ионами Er ³⁺ в возбужденном состоянии к общей концентрации Er ³⁺ , дает первую информацию о лазерной способности лазерных систем с резонансной накачкой. На рисунке 9 показаны результаты с поляризационным разрешением σ _GAIN , полученные из данных на рисунках 7 и 8.Можно выделить две области генерации, первая около 1540 нм характеризуется узкими полосами и требует высоких коэффициентов инверсии, Ψ > 0,3. Второй, простирающийся от 1560 до 1625 нм как для π-поляризованной, так и для σ-поляризованной конфигураций, встречается даже при низких значениях Ψ и характеризуется широкими полосами, указывающими на значительный потенциал перестраиваемости лазера (и работу фемтосекундного лазера). в этом диапазоне длин волн.

На рисунке 10 показана зависимость времени жизни от температуры верхнего лазерного уровня ( ⁴ I _13/2 ) модуля 0.02 ат.% Кристалл NaY, легированного Er (WO ₄ ) ₂ . Измерения времени жизни проводились на измельченном образце с низкой концентрацией ионов Er ³⁺ (≈1,9 × 10 ¹⁸ см ^-3 ), чтобы избежать влияния захвата излучения и реабсорбции флуоресценции на результаты измерений.

4. Эксперименты с лазером с резонансной накачкой

На рисунке 11 показано схематическое изображение экспериментальной установки и оптического резонатора, используемых для определения характеристик лазера.

Квазинепрерывные характеристики лазера NaY, легированного 1 ат.% Er (WO ₄ ) ₂ , с резонансной накачкой в ​​полосу поглощения 1501 нм (соответствует ⁴ I _15/2 (0) → ⁴ I _13/2 (4) переход, см. Таблицу 2) при 77 K показан на Рисунке 12a для трех различных отражений OC. Без селективного по длине волны элемента в резонаторе лазер работал в π-поляризации. Мощность лазера на NaY, легированном Er (WO ₄ ) ₂ , в этом случае представлена ​​в зависимости от поглощенной мощности накачки, поскольку наблюдалось, что доля поглощенной мощности накачки значительно зависит от мощности накачки из-за эффектов насыщения (усреднение от 0.83 до ∼ 0,7 в зависимости от отражательной способности выходного ответвителя и плотности накачки). .

Рис. 12. Зависимость выходной мощности лазера от поглощенной мощности накачки (как квазинепрерывная) для лазера NaY с резонансной накачкой 1 ат.% Er (WO ₄ ) ₂ (точки).

Квазинепрерывный режим: длительность импульса 10 мс, частота следования импульсов 10 Гц. (а) Охлажден до 77 К. (б) Охлаждается при комнатной температуре. Легенда показывает коэффициент отражения используемого выходного ответвителя R _out и дифференциальную эффективность η , полученную из линейных подгонок (линии).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0059381.g012

Наилучшая выходная мощность 5,5 Вт и дифференциальный КПД η = 57% в зависимости от поглощенной мощности накачки были достигнуты при длине резонатора 12 см, RoC OC ∼250 мм и коэффициент отражения OC 85%. Размер моды TEM ₀₀ в этом случае составлял около 500 мкм по всей длине кристалла и наилучшим образом соответствовал откачиваемому объему. Измеренная расходимость лазерного луча составила около 3,3 мрад, что близко к расчетному значению расходимости мод TEM ₀₀ для используемой конфигурации лазерного резонатора.Выходной π-поляризованный спектр излучения NaY-лазера, легированного Er (WO ₄ ) ₂ (полученный с помощью анализатора оптического спектра), был центрирован при ∼ 1611 нм (воздух) и имел ширину полосы ∼3.5 нм, таким образом, лазер работает с квантовым дефектом ∼7%. Измеренные композитные пассивные потери в резонаторе, включая окна криостата, составили ∼4% за один проход на длине волны 1610 нм и были в основном вызваны просветляющим покрытием кристалла.

Доказательство повышения эффективности лазера при криоохлаждении получено из сравнения рисунков 12a и 12b.Выходная мощность лазера на рис. 12b также представлена ​​в зависимости от поглощенной мощности накачки (оба Q-CW с одинаковым коэффициентом заполнения 0,1). Наилучшие характеристики лазера были достигнуты при длине резонатора ∼8 см и RoC вогнутого OC 100 мм. Луч накачки фокусировался в кристалл линзой с фокусным расстоянием 75 мм. Диаметр лазерной моды ТЕМ ₀₀ вдоль кристалла в этом резонаторе составлял ∼ 340 мкм, т.е. немного меньше диаметра накачиваемого объема. Максимальный полученный дифференциальный КПД лазера при комнатной температуре по отношению к поглощенной мощности накачки составил 32.7% при коэффициенте отражения выходного ответвителя 98%. Это значение дифференциальной эффективности при комнатной температуре почти в два раза выше, чем сообщалось недавно Хуангом и др. Для Er: Yb: Ce: NaY (WO ₄ ) ₂ лазера [31]. Измеренная доля мощности накачки, поглощенной кристаллом, по отношению к падающей мощности накачки при комнатной температуре составила 0,65–0,55 в зависимости от коэффициента отражения выходного элемента связи и плотности накачки. Это заметно ниже, чем при 77 К, однако не так низко, как можно было бы ожидать при сравнении спектров поглощения при криогенных и комнатных температурах, см. Рисунок 7.Мы полагаем, что причина этого заключается в гораздо меньшем влиянии эффектов насыщения на характеристики лазера при комнатной температуре. Максимальная выходная мощность лазера, полученная при комнатной температуре, составляла ~ 1 Вт. Спектр излучения лазера при комнатной температуре был центрирован при 1609,6 нм (воздух) с шириной полосы ~ 4 нм.

Для оценки потенциала перестраиваемости лазера NaY, легированного Er (WO ₄ ) ₂ , мы провели эксперименты по настройке с криогенно охлаждаемым (77 K) лазером NaY, легированным Er (WO ₄ ) ₂ , путем вставки трехступенчатый тюнер двойного лучепреломления в резонаторе между лазерным кристаллом и выходным ответвителем.Перестройка длины волны измерялась отдельно для двух поляризаций лазера. Для выхода σ-поляризованного лазера измеренный диапазон настройки составлял ~ 22 нм, от 1588 нм до 1610,2 нм, с максимумом при λ = 1595 нм. Для π-поляризации кривая настройки была шире, около 30,7 нм, от 1590,7 до 1621,4 нм, с максимумом при 1610 нм. Обе кривые настройки хорошо соответствуют расчетным профилям сечения усиления кристалла NaY, легированного Er (WO ₄ ) ₂ для σ- и π-поляризаций, см. Рисунок 9.Измеряемый диапазон перестройки, очевидно, ограничивался покрытием оптики резонатора, предотвращающим генерацию в области λ≈1540 нм. Этот широкий диапазон перестройки длины волны лазера NaY, легированного Er (WO ₄ ) ₂ , очень полезен и потенциально может поддерживать генерацию ультракоротких лазерных импульсов с длительностью импульса до ~ 100 фс.

Выводы

Теплопроводность неупорядоченного кристалла NaY (WO ₄ ) ₂ имеет поведение, напоминающее поведение, наблюдаемое в стеклах, т.е.е. после того, как длина свободного пробега фононов достигнет постоянного значения, восстановление теплопроводности связано с увеличением теплоемкости с температурой. Несмотря на это, теплопроводность сохраняет характерную анизотропию монокристаллов и мало зависит от легирования ионами Er, что указывает на связь основных процессов рассеяния фононов с почти случайным распределением Na и Y (или Er) в двух возможных узлов кристаллической решетки, 2 b и 2 d .Поэтому ожидается, что это поведение будет также обнаружено в лазерах, легированных другими лантаноидами. Хотя хорошо известно, что легирующие примеси (Er и другие лазерные лантаноиды) снижают теплопроводность лазерных кристаллов, настоящие результаты предполагают, что в неупорядоченных кристаллах можно ожидать дальнейшего снижения теплопроводности на основе сосуществования нескольких центров для лазерные легирующие примеси. Распространение аналогичных тепловых измерений на неупорядоченные лазерные кристаллы, упомянутые в разделе «Введение», кажется очень необходимым для количественной оценки относительной величины обоих возможных механизмов снижения теплопроводности.

На основе измерений поляризованного оптического поглощения и фотолюминесценции при низких температурах (<10 K) с помощью оценки с энергетическим моделированием, включая взаимодействие свободных ионов эрбия и кристаллического поля, была получена относительная энергетическая последовательность штарковских уровней Er ³⁺ и их неприводимых представлений. определено до мультиплета ⁴ G _7/2 . Далее были определены сечения поглощения, излучения и усиления 77 К. Было показано, что при 77 К основное поглощение на λ = 1501 нм (π-поляризация) идеально соответствует спектральному распределению несуженного диодного лазерного модуля, используемого для резонансной оптической накачки легированного Er NaY (WO ₄ ) ₂ лазер.Время жизни верхнего мультиплета ⁴ I _13/2 ионов Er ³⁺ составляет ≈4,5 мс при 77 К и уменьшается до ≈3,7 мс при комнатной температуре.

Лазерная генерация эрбия может происходить в узких полосах около 1550 нм или непрерывно между 1560 и 1625 нм. Было показано, что при охлаждении кристалла до 77 К максимальная выходная мощность может быть увеличена в пять раз, а дифференциальная эффективность (в зависимости от поглощенной мощности) — в два раза по сравнению с работой лазера при комнатной температуре.Наилучшая эффективность лазера с резонансной накачкой была получена при 77 К при использовании почти постоянной моды резонатора TEM ₀₀ и размера моды накачки около 500 мкм в диаметре по всей длине кристалла.

alexxlab