Prospects of spectroscopy in forensic practice: a review

Full Text

Введение

Судебная медицина объединяет знания из различных предметных областей и интегрирует множество концепций, что позволяет предоставлять исчерпывающие ответы и помощь в расследовании уголовных дел [1]. Тщательное изучение вещественных доказательств биологического происхождения, трупов, изображений и других материалов помогает выявить ключевые аспекты, такие как причина смерти и механизм получения травмы. Это, в свою очередь, содействует принятию справедливых и точных судебных решений.

С развитием новых технологий наблюдают улучшение возможностей установления взаимосвязей между объектами, обнаруженными на месте происшествия, и конкретными людьми, что в значительной мере способствует эффективному проведению следственных действий [2–5]. В большинстве случаев на месте преступления выявляют вещественные доказательства биологического происхождения, такие как биологические жидкости и ткани организма человека [6–8]. Эти биологические материалы можно обнаружить в различном состоянии, включая разложение и смешивание, что может затруднять их обнаружение и последующую идентификацию [9].

В судебно-медицинской практике особенно важно применение методов количественного анализа совместно со статистическими показателями достоверности для получения объективных и точных результатов. В этом контексте особое внимание уделяют таким методам, как инфракрасная Фурье-спектроскопия (ИК-Фурье-спектроскопия) и рамановская спектроскопия, поскольку они позволяют с высокой эффективностью обнаруживать белки и ядерные кислоты, что делает их эффективными инструментами для решения судебно-медицинских задач [10, 11].

Принцип работы инфракрасной Фурье-спектроскопии

Принцип работы ИК-Фурье-спектроскопии основывается на анализе спектра поглощения образца при воздействии инфракрасного излучения с последующим преобразованием Фурье для обработки исходных данных. Этот процесс позволяет достоверно определять химические связи и функциональные группы, присутствующие в конкретном образце. ИК-Фурье-спектроскопия обеспечивает одновременный сбор спектральных данных высокого разрешения в широком диапазоне частот путём направления в интерферометр световых пучков, содержащих множество частот [12]. Информацию извлекают с помощью количественной оценки степени светопоглощения, которую проявляет образец. Внутри интерферометра, во время перемещения зеркал, происходит периодическое блокирование или пропускание света с разными длинами волн. Это приводит к образованию интерференционной картины. Применение преобразования Фурье к данным, полученным от исследуемого образца, облегчает трансформацию исходной информации в значения поглощения света на различных длинах волн, что позволяет получить спектр поглощения образца [12].

Метод ИК-Фурье-спектроскопии основан на взаимодействии химических веществ с инфракрасным светом. Атомы внутри молекул находятся в непрерывном движении и вибрации, что приводит к различным типам колебаний, включая симметричные и антисимметричные при растяжении, деформации или изгибе. Эти колебания происходят на частотах, связанных с химическими связями и свойствами соединений, что совпадает с ближней областью инфракрасного спектра [13]. Таким образом, ИК-Фурье-спектроскопия позволяет точно определить молекулярный состав образца, а также выявить возможные патологические изменения и предоставить ценную диагностическую информацию [14]. Например, K.T. Mader и соавт. [15] использовали многомерную ИК-Фурье-спектроскопию для изучения дегенерации межпозвонкового диска.

ИК-Фурье-спектроскопию широко используют и часто комбинируют с технологией нарушенного полного внутреннего отражения, формируя метод ИК-Фурье-спектроскопии в режиме ослабленного полного внутреннего отражения. Эта комбинация значительно упрощает процедуру исследования образцов и одновременно повышает чувствительность анализа [16]. В результате инфракрасная спектроскопия находит всё более широкое применение в судебно-медицинской практике, способствуя более глубокому пониманию составов и свойств исследуемых объектов, включая скелетированные останки, лакокрасочное покрытие автомобилей и состав почвы [17–19].

Принцип работы рамановской спектроскопии

Рамановская спектроскопия — это аналитический метод, используемый в химии, основанный на взаимодействии света с анализируемым образцом и изменении распределения зарядов его молекул под воздействием лазерного излучения [20]. Это взаимодействие приводит к обмену энергией и импульсом, что проявляется в двух явлениях: рэлеевском рассеянии и комбинационном рассеянии света. В большинстве случаев взаимодействие света с молекулами изменяет лишь направление света, не оказывая влияния на его энергию. Такое явление называют упругим или рэлеевским рассеянием. Однако при поглощении молекулой энергии падающего света она начинает вибрировать, что приводит к разнице в энергии между рассеянным и падающим светом. Этот процесс называют неупругим рассеянием, или рассеянием по Раману [21].

При этом изменение энергии лазера связано со столкновением с различными молекулами в образце, что приводит к передаче различного объёма энергии. Таким образом, каждая молекула обладает уникальными характеристики, проявляющимися в виде пиков в спектре комбинационного рассеяния света. Спектроскопия комбинационного рассеяния света позволяет собирать неупругий рассеянный свет, специфичный для каждой ткани, и создавать своего рода её молекулярный отпечаток [22]. Этот метод позволяет осуществлять качественный и количественный анализ образцов, точно определяя вибрационные характеристики специфических химических молекул и предоставляя результаты анализа структуры, состава и химических связей образца [23].

На практике разработаны различные методы, основанные на комбинации рамановской спектроскопии с дополнительными технологиями. К таким методам относят:

• поверхностно-усиленную рамановскую спектросокпию;
• ступенчатую рамановскую спектроскопию;
• микро-рамановскую спектроскопию.

Продемонстрировано, что волоконная рамановская спектроскопия способна быстро и точно диагностировать мышечные заболевания у людей [22, 24, 25]. Более того, многочисленные преимущества рамановской спектроскопии способствовали её широкому применению в судебной медицине, предоставляя важные данные для аналитических исследований и экспертиз [26, 27].

ИК-Фурье-спектроскопию и рамановскую спектроскопию считают основными спектральными методами, применяемыми для оценки мод колебаний молекул. ИК-Фурье-спектроскопия основана на изменениях дипольных моментов молекул, в то время как рамановская — на изменениях их поляризуемости [28]. Оба метода обладают значительными преимуществами, поскольку позволяют проводить неразрушающие измерения, охватывают широкий спектральный диапазон, просты в эксплуатации и требуют минимальной подготовки образцов [29–32].

Для подготовки биологического материала необходимо тщательно отобрать и зафиксировать образцы, чтобы избежать их разрушения и загрязнения. Портативные устройства, такие как ручные инфракрасные Фурье-спектрометры и микро-рамановские спектрометры, позволяют проводить анализ непосредственно на месте происшествия, тогда как стационарные устройства, включая лабораторные инфракрасные Фурье-спектрометры и рамановские спектрометры с усилителем поверхности, обеспечивают более детализированный анализ в лабораторных условиях [22, 24, 25].

Основу неразрушающего анализа составляет нагревание без горения. Обычно температура нагрева составляет около 50–60 °C, что достаточно для активации процессов, но не вызывает денатурации большинства белков [29–32]. Риск денатурации существует, но при соблюдении температурных режимов он минимален.

Таким образом, правильный выбор технических средств и строгие протоколы подготовки и анализа биологических материалов позволяют минимизировать риски разрушения образцов и потери важных данных для дальнейших исследований.

Хемометрика

Хемометрика представляет собой мощный аналитичес-кий инструмент в области химии, в основе которого лежат экспериментальные данные. Она служит средством для извлечения ценной информации из результатов измерений с помощью математических и статистических методов. Обрабатывая данные в матричной форме, хемометрика позволяет выявлять потенциальные взаимосвязи между переменными и упрощает их использование для анализа многомерных характеристик, присущих данным исследованиям [33]. Широко используемое программное обеспечение MATLAB, а также языки программирования Python и R обеспечивают эффективный и точный хемометрический анализ.

При анализе данных спектральных измерений предварительная обработка, как правило, является необходимым этапом для подготовки данных к классификации или калибровочным методам, которые могут значительно улучшить и систематизировать полученные результаты. Кроме того, предварительная обработка может эффективно устранять или уменьшать шум и помехи в спектре, что, в свою очередь, повышает прогностические характеристики модели [34, 35]. Обычно используемые методы предварительной обработки спектров включают сглаживание, коррекцию базовой линии и рассеяния [36]. Эти методы помогают обеспечить более точные и надёжные результаты анализа, что имеет решающее значение для успешного применения хемометрики в судебной медицине.

Различают неконтролируемые и контролируемые хемометрические модели. Неконтролируемые модели строят без предварительно заданной пользователем информации и используют для исследовательских целей. Они позволяют выявлять закономерности в данных, группировать схожие объекты и разделять различные наборы данных. Один из ключевых методов — кластеризация, применяемая для поиска скрытых структур в данных. К широко используемым методам кластеризации относят иерархическую кластеризацию, метод k-средних и анализ главных компонент. Контролируемые модели обучают на основе заранее определённой пользователем информации и существующих группировок. Их используют для классификации новых образцов, анализируя их в контексте уже известных закономерностей. Среди распространённых методов контролируемого обучения выделяют частичный дискриминантный анализ по наименьшим квадратам, линейный дискриминантный анализ и метод опорных векторов. Данные методы позволяют извлекать значимые признаки и обеспечивают высокую точность классификации [37].

Стехиометрия обеспечивает статистическую основу для спектрального анализа, позволяя сравнивать спектр образца со стандартной хемометрической моделью [21]. Многочисленные исследования подчёркивают синергетическое использование рамановской и ИК-Фурье-спектроскопии в сочетании с хемометрическими подходами для cудебно-медицинского анализа, что существенно повышает точность и надёжность получаемых результатов [38–41].

Вещественные доказательства биологического происхождения

Принцип обмена Локарда гласит: «Когда любой человек вступает в контакт с объектом или другим человеком, возникает кросс-передача вещественных доказательств» [42]. Это утверждение подчёркивает важность идентификации вещественных доказательств биологического происхождения в процессе осмотра места происшествия, что позволяет делать первоначальные выводы о фенотипе подозреваемого. Эффективное выявление и извлечение соответствующих вещественных доказательств имеют критическое значение для выделения информации, направленной на сужение круга потенциальных подозреваемых. Это является основой передовых методик, способствующих проведению следственных мероприятий. Биологические жидкости нередко служат основными вещественными доказательствами в судебно-медицинской экспертизе, поскольку они широко распространены на местах преступлений. Их анализ играет ключевую роль в определении различных характеристик и существенно способствует реконструкции событий [43]. Однако многие методы анализа являются разрушающими, а количество доступных образцов зачастую ограничено. Именно поэтому обеспечение неразрушающего отбора проб при эффективной и точной идентификации становится крайне важным аспектом исследования. Методы идентификации, основанные на спектроскопии, представляют собой оптимальное решение для анализа вещественных доказательств биологического происхождения. В этой области всё чаще применяют рамановскую и ИК-Фурье-спектроскопию, поскольку данные методы обладают высокой чувствительностью и позволяют не только идентифицировать образцы, но и обеспечивать их сохранность для дальнейших исследований.

Следы крови

Кровь является наиболее распространённой биологической жидкостью, обнаруживаемой на местах преступлений, связанных с применением насилия, что обусловливает наличие многочисленных исследований, направленных на её идентификацию. Например, в исследовании, проведённом S. Sharma и соавт. [44], выполнен комплексный анализ с использованием ИК-Фурье-спектроскопии в режиме ослабленного полного внутреннего отражения, который включал 50 образцов венозной крови от здоровых людей, 30 — менструальной крови, 30 — спермы и вагинальной жидкости, а также различные небиологические вещества, способные имитировать кровь и вызывать ложноположительные результаты. Для анализа пятно крови наносили на поверхность кристалла, применяемого при отражательной спектроскопии с ослабленным полным внутренним отражением. Использование комбинации хемометрических методов, таких как метод главных компонент и линейный дискриминантный анализ, позволило классифицировать кровь, другие жидкости организма и подобные крови небиологические вещества с безупречной точностью до 100%. Кроме того, авторы продемонстрировали, что ИК-Фурье-спектроскопия в режиме ослабленного полного внутреннего отражения позволяла достоверно устанавливать давность образования следов крови на 1, 7 и 15 сутки (на предметном стекле).

Аналогичное исследование, проведённое J. Fujihara и соавт. [45], также продемонстрировало возможность различать пятна крови младенцев и взрослых с помощью микро-рамановской спектроскопии. В дополнение к точной идентификации следов крови определение её видовой принадлежности имеет ключевое значение в судебно-медицинской практике. Например, в случае дорожно-транспортного происшествия способность различать кровь человека и животного может сыграть решающую роль в расследовании и установлении обстоятельств инцидента. Множество учёных стремятся объединить вибрационную спектроскопию и хемометрику с целью определения видовой принадлежности. Так, A. Takamura и соавт. [46] представили инновационную технологию, объединяющую трапециевидный рамановский спектрометр с возможностями поверхностно-усиленной спектроскопии комбинационного рассеяния. Команда разработала обширную спектральную базу данных, охватывающую 26 различных видов, включая человека. Применяя алгоритмы свёрточных нейронных сетей, авторы достигли высокой точности идентификации, превышающей 94%, что подчёркивает эффективность и надёжность данного метода в отношении определения видовой принадлежности крови [47].

Существует также множество других исследований, в которых рассматривают спектроскопические методы. Например, R. Kumar и соавт. [48] применяли ИК-Фурье-спектроскопию в режиме ослабленного полного внутреннего отражения для анализа инфракрасного спектра пятен крови и разработали модель для определения времени их образования с использованием частичной рег-рессии по методу наименьших квадратов, что позволило достоверно определять давность образования пятен крови в промежутке от 1 до 175 дней. R. Gautam и соавт. [49] продемонстрировали надёжность и эффективность рамановской спектроскопи в сочетании с методом наименьшего абсолютного сжатия и отбора признаков в отношении определения давности образования пятен крови в промежуток от 1 до 336 часов на различных поверхностях, включая напольную плитку и линолеум. Входная мощность (2 МВт) и время экспозиции (15 с) оптимизированы, чтобы избежать возможного нежелательного нагрева/ повреждения образца крови.

Таким образом, современные спектроскопические методы, такие как ИК-Фурье-спектроскопия в режиме ослабленного полного внутреннего отражения и рамановская спектроскопия, демонстрируют высокий потенциал для решения разнообразных задач судебной медицины, включая идентификацию крови, оценку времени её образования и определение видовой принадлежности. Интеграция этих методов с хемометрическими подходами позволяет повысить точность и надёжность получаемых результатов, делая их незаменимыми инструментами в арсенале современных судебно-медицинских экспертов.

Следы спермы

Семенная жидкость действительно часто встречается на местах преступлений, особенно в случаях преступлений против половой неприкосновенности. В исследовании, проведённом S. Zha и соавт. [50], выполнены эксперименты, в которых образцы спермы помещали на три разных субстрата и анализировали с использованием ИК-Фурье-спектроскопии в режиме ослабленного полного внутреннего отражения в сочетании с такими хемометрическими методами, как метод главных компонент и наименьших квадратов. Они позволили достоверно оценить давность образования следов спермы in vitro в интервале от 0,5 до 6 дней. Такой подход предоставляет следователям полезные данные для проверки алиби, установления времени совершения преступления и оценки давности наступления смерти.

Также следует учитывать важность определения видовой принадлежности спермы. X. Wei и соавт. [51] продемонстрировали успешное применение классификационных моделей, полученных с помощью частичного дискриминантного анализа по наименьшим квадратам и ИК-Фурье-спектроскопии в режиме ослабленного полного внутреннего отражения, для эффективной идентификации человека среди других видов (например, кролика, собаки, свиньи, коровы, барана) с прогностической точностью 100%. Это подчёркивает практическую значимость вибрационной спектроскопии как инструмента для определения видовой принадлежности спермы в реальной судебно-медицинской практике. Примечательно, что для определения видовой принадлежности не требуется наличие целых клеток спермы, что делает этот метод особенно гибким и пригодным для анализа небольшого количества или частично разрушенного материала.

Слюна

Слюна представляет собой важную биологическую жидкость, поскольку её состав тесно связан с составом крови, что делает слюну перспективным материалом для анализа. Так, E. Al-Hetlani и соавт. [52] собрали 32 образца слюны и провели измерения с использованием рамановской спектроскопии. Авторы разработали модель для классификации курящего и некурящего человека, основанную на искусственной нейронной сети, с точностью 100% при внешней валидации. E. Buchan и cоавт. [53] систематически изучили молекулярно-спектральный отпечаток слюны, используя рамановскую спектроскопию в сочетании с гибридным алгоритмом искусственной нейронной сети. На основе спектральных отпечатков слюны авторы стратифицировали людей по следующим возрастным группам:

• молодые (20–30 лет);
• среднего возраста (31–55 лет);
• пожилые (старше 56 лет).

Кроме того, авторы осуществили дифференциацию по полу, что позволило установить уникальные молекулярные особенности для женщин и мужчин. Состав слюны не претерпел существенных изменений в течение недели, что делает её перспективным объектом исследования для решения судебно-медицинских задач.

Причина смерти

Судебно-медицинское вскрытие в значительной степени основано на выявлении макроскопической и микроскопической картины заболеваний, что ограничивает возможность диагностировать функциональные повреждения, такие как внезапная сердечная смерть, переохлаждение и отравление [54]. Спектроскопия в контексте современных аналитических технологий предоставляет возможности для неразрушающего исследования биологических образцов без необходимости их предварительной маркировки, открывая новые горизонты для судебно-медицинских экспертов.

Отёк лёгких

Исследование H. Lin и соавт. [55] продемонстрировало важность выделения интерстициальной жидкости в случае отёка лёгких для установления причины смерти. В своей работе авторы использовали ИК-Фурье-спектроскопию для измерения инфракрасного спектра интерстициальной жидкости лёгких и интегрировали полученные данные с системой глубокого обучения на основе эволюционных нейронных сетей для построения модели классификации. Результаты исследования показали, что чувствительность модели варьировала от 0,9661 до 0,9856, тогда как специфичность — от 0,8774 до 0,9167. Эти показатели позволяют предположить, что синергия ИК-Фурье-спектроскопии и алгоритмов глубокого обучения может стать новым и эффективным инструментом для диагностики различных распространённых причин смерти, включая кардиомиопатию, отравление окисью углерода и внутримозговые кровоизлияния.

В судебно-медицинской практике идентификация летального анафилактического шока представляет собой сложную задачу, требующую точной дифференциальной диагностики, что затрудняет однозначное определение причины смерти. Судебно-медицинские эксперты часто сталкиваются с необходимостью оценки тонких морфологических и физиологических различий, поэтому нехватка соответствующей информации зачастую мешает однозначному заключению [56]. Согласно наблюдениям судебно-медицинских экспертов, в случаях смертельного анафилактического шока фиксируют увеличение объёма интерстициальной жидкости лёгких [57]. Некоторые учёные также отметили различия в составе жидкости, образующейся в лёгких при различных этиологических формах отёка [58, 59]. Так, H. Lin и соавт. [60] определили потенциал анализа интерстициальной жидкости лёгких для установления причины смерти. Они применили ИК-Фурье-спектроскопию в сочетании с методом главных компонент для выявления характерных отличий в составе белков, присутствующих в интерстициальной жидкости лёгких, образующейся при анафилактическом шоке. Авторы установили, что интерстициальная лёгочная жидкость при смертельной анафилаксии имеет иной биохимический состав по сравнению с жидкостью, образованной при других причинах смерти, такими как механическая асфиксия, черепно-мозговая травма и острая сердечная недостаточность. Методы инфракрасной спектроскопии и распознавания образцов позволили выявить повышенное содержание белков, включая альбумин и глобулин, в интерстициальной жидкости при анафилактическом отёке лёгких. Анализ вторичной структуры белков показал преобладание α-спиральных и поворотных структур, наряду с меньшим количеством тирозин-богатых белков по сравнению с контрольной группой. Эти данные подтверждены построением модели с помощью частичного дискриминантного анализа по наименьшим квадратам, которая успешно классифицировала случаи наличия и отсутствия анафилактического шока с высокой точностью, демонстрируя потенциал данного метода для посмертной диагностики смертельной анафилаксии.

Внезапная сердечная смерть

В судебной медицине наиболее часто проводят дифференциальную диагностику с внезапной смертью, среди причин которой выделяют сердечно-сосудистые заболевания — внезапная сердечная смерть [54, 61]. Этот феномен, как правило, отмечают у внешне здоровых людей, и он характеризуется внезапным началом, быстро прогрессирующим состоянием и летальным исходом. В ряде случаев установить причину смерти с помощью стандартного секционного исследования трупа невозможно, что требует применение дополнительных тестов для точной идентификации. Традиционные методы аутопсии и микроскопического исследования часто не позволяют провести чёткую дифференциацию между асфиксией и внезапной сердечной смертью, поскольку отсутствуют специфические морфологические признаки. Для разрешения данной проблемы K. Zhang и соавт. [62] провели экспериментальные исследования, используя ИК-Фурье-спектроскопию в сочетании с методом опорных векторов, для анализа биохимических различий в лёгочной ткани крыс и человека, умерших в результате асфиксии и внезапной сердечной смерти. Авторы обнаружили, что у крыс, погибших в результате асфиксии, наблюдают более высокое содержание липидов и белков в лёгочной ткани по сравнению с теми, кто умер от внезапной сердечной смерти. Эти различия подтверждены при анализе данных, собранных через 24 часа после смерти животных, что свидетельствует о возможности использования данного метода для определения причины смерти даже после начала разложения тканей. Кроме того, семь из девяти выявленных дифференциальных спектральных признаков также оказались значимыми в образцах человеческой лёгочной ткани, что указывает на потенциал использования этого подхода в судебно-медицинской практике для диагностики причин смерти [62].

Более того, эмпирические данные показывают, что фиброз миокарда является распространённым проявлением внезапной сердечной смерти. Таким образом, его выявление представляет собой многообещающий новый подход к диагностике случаев внезапной сердечной смерти. Исследование, проведённое X. Yang и соавт. [63], также подтверждает этот вывод. Авторы использовали ИК-Фурье-спектроскопию в режиме ослабленного полного внутреннего отражения для получения инфракрасного спектра сердечной ткани, а затем анализировали его с применением метода частичного дискриминантного анализа по наименьших квадратам. В общей сложности исследовано 129 гистологических срезов сердца, для которых выполнены как спектроскопия, так и окрашивание гематоксилином и эозином. Образцы разделили на экспериментальную (с миокардиальным фиброзом) и контрольную группы (без миокардиального фиброза). Результаты классификации с использованием хемометрии показали, что для обучающей выборки чувствительность и специфичность составили 0,91 и 1,0 соответственно, а для предсказательной выборки — 0,862 и 0,900. Это исследование продемонстрировало эффективность ИК-Фурье-спектроскопии в режиме ослабленного полного внутреннего отражения в сочетании с хемометрией в отношении идентификации миокардиального фиброза.

Кроме того, внезапная сердечная смерть часто ассоциируется с инфарктом миокарда. Спектральный анализ выявил отличительные особенности для каждой стадии, которые подтверждены результатами анализа главных компонент. Автоматизированный классификатор на основе искусственных нейронных сетей успешно распознал эти стадии, а визуализация с помощью псевдоцветных изображений показала высокое совпадение с данными гистологического исследования. Этот подход продемонстрировал свою эффективность в объективной оценке гистологической стадии инфаркта миокарда в судебно-медицинской практике [64]. Аналогичным образом показано, что с помощью ИК-Фурье-спектроскопии можно эффективно выявлять ткани, свидетельствующие о ранней ишемии миокарда, даже когда отсутствуют явные морфологические изменения [65].

Утопление

Утопление является видом механической асфиксии, вызванной обструкцией дыхательных путей и альвеол, что приводит к нарушению газообмена, недостаточному поступлению кислорода и накоплению углекислого газа в организме. В судебно-медицинской практике выявление диатомового планктона часто считают стандартным методом для подтверждения факта утопления [62, 66, 67]. Однако нередко он может отсутствовать у лиц, погибших в результате утопления, в то время как у некоторых людей с другой причиной смерти, которые долгое время находились в среде, богатой диатомовыми водорослями, можно обнаружить их повышенные концентрации. Эта ситуация усложняет диагностику, поскольку необходимо точно различать утопление и посмертное погружение в воду. Различная продолжительность погружения после смерти может приводить к разной концентрации диатомового планктона, что требует точного определения этих факторов [68]. Так, H. Xiong и соавт. [70] применили ИК-Фурье-спектроскопию в сочетании с методом частичного дискриминантного анализа по наименьшим квадратам для оценки инфракрасного спектра образцов лёгочной ткани. Авторы выявили значительные различия в содержании амида I и амида II, что позволило эффективно дифференцировать случаи утопления от посмертного погружения. Кроме того, анализ методом главных компонент выявил определённые различия между образцами, полученными из пресной и солёной воды, что связано с различной концентрацией среды утопления. При этом степень деградация лёгочной ткани не оказала существенного влияния на результаты. С помощью метода частичного дискриминантного анализа по наименьшим квадратам разработаны модели для идентификации утопления и посмертного погружения как в условиях пресной, так и солёной воды. Обе модели продемонстрировали высокую точность классификации, достигая 94,4 и 100% соответственно. Средние спектры второй производной, а также методы хемометрии подтвердили, что различия в структуре и содержании белка являются ключевыми факторами при дифференциации случаев утопления и посмертного погружения. Это пилотное исследование демонстрирует потенциал ИК-Фурье-спектроскопии в режиме ослабленного полного внутреннего отражения в сочетании с хемометрикой как эффективного метода судебно-медицинской диагностики утопления.

Действие крайних температур

В практической деятельности нередко возникает необходимость в дифференциальной диагностике скоропостижной смерти и переохлаждения. Ишемическая болезнь сердца, кровоизлияния в мозг и другие заболевания часто развиваются при низких температурах, что может затруднять дифференциацию этих состояний и летальных исходов, вызванных непосредственно гипотермией. Несмотря на то что патологические изменения сердечно-сосудистой системы при переохлаждении хорошо изучены, точная роль в диагностике и понимании танатогенетических процессов остаётся не до конца выясненной [70].

H. Lin и соавт. [71] продемонстрировали эффективность ИК-Фурье-спектроскопии в сочетании с хемометрикой в отношении выявления лёгочного отёка как специфического маркёра смертельной гипотермии. Сравнительный анализ спектрального профиля выявил повышенное содержание β-листовых структур белков в отёчной жидкости лёгких у лиц, умерших от гипотермии, по сравнению с другими причинами смерти. Модель постмортальной диагностики смертельной гипотермии, созданная с использованием метода частичного дискриминантного анализа по наименьшим квадратам, корректно классифицировала причины смерти в восьми новых случаях. Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования ИК-Фурье-спектроскопии в сочетании с хемометрикой для посмертной диагностики смертельной гипотермии.

Метаболизм и функциональная активность гипоталамуса, который играет ключевую роль в регуляции температуры тела, также претерпевают изменения в ответ на колебания внутренней температуры. Так, H. Lin и соавт. [72] оценивали эффекты летальной гипо- и гипертермии с использованием ИК-Фурье-спектроскопии и метода «случайного леса» путём анализа инфракрасного спектра гипоталамуса. Результаты показали, что в случае летальной гипертермии наблюдали увеличение общего содержания липидов, сопровождающееся снижением концентрации ненасыщенных жирных кислот и ухудшением подвижности клеточных мембран. В свою очередь, у пациентов с летальным исходом при гипотермии обнаружили значительное увеличение нарушений агрегации белков и содержания нуклеиновых кислот. Эти результаты свидетельствуют о том, что ИК-Фурье-спектроскопия может быть полезным методом для оценки биохимических характеристик гипоталамуса в условиях действия экстремальных температур. В аналогичном эксперименте использовали ИК-Фурье-спектроскопию в режиме ослабленного полного внутреннего отражения в сочетании с методом частичного дискриминантного анализа по наименьшим квадратам для оценки моделей летального исхода в условиях гипер- и гипотермии путём анализа плазмы крови. Результаты исследования показали, что содержание общего количества липидов и длинноцепочечных жирных кислот ниже в случае летальной гипертермии по сравнению с контрольной группой, тогда как при летальной гипотермии их концентрация выше. Более того, в случае летальной гипертермией наблюдали наивысшую концентрацию ненасыщенных липидов, в то время как при летальной гипотермии — наибольшее содержание карбонилового эфира [73]. Предыдущие исследования продемонстрировали потенциал метаболомики в диагностике смертельного переохлаждения путём анализа состава стекловидного тела. Спектроскопия, результаты которой сопоставимы с данными, полученными с помощью метаболомики, также позволяет определять состав исследуемых образцов, кроме того, она подходит для анализа жидких материалов. Именно поэтому изучение применения спектроскопии для обнаружения компонентов стекловидного тела представляет собой перспективное направление для дальнейших исследований [74]. Комбинирование подходов метаболомики и спектроскопии может существенно улучшить точность и надёжность диагностики летальных исходов при воздействии крайних температур, что имеет важное значение для судебно-медицинской практики. Исследования в этой области могут способствовать разработке новых методов, позволяющих более эффективно выявлять случаи смерти от гипо- и гипертермии, основываясь на химическом и биохимическом анализе, что, в свою очередь, может помочь в решении сложных практических задач.

Сахарный диабет и его осложнения

Диабетический кетоацидоз может привести к летальному исходу и усложняет определение причин смерти при рутинной аутопсии из-за отсутствия характерных морфологических изменений [75]. D. Wu и соавт. [76] провели исследование интерстициальной жидкости лёгких, полученной от трупов, применяя ИК-Фурье-спектроскопию. В ходе исследования использовали метод частичного дискриминантного анализа по наименьшим квадратам для создания модели классификации. Результаты выявили значительные изменения в белках, содержащихся в интерстициальной жидкости лёгких у людей с диабетическим кетоацидозом, подтверждая, что ИК-Фурье-спектроскопия имеет потенциал в отношении диагностики и выявления этого состояния.

Кроме того, установлена чёткая двунаправленная корреляционная связь между сахарным диабетом и сердечной недостаточностью, при этом диабетическая кардиомиопатия — основное сердечное проявление у пациентов с сахарным диабетом [77]. Большинство методов диагностики болезни нацелены на выявление её поздних стадий, тогда как исследования на ранних стадиях без явных морфологических и функциональных изменений в миокарде остаются относительно ограниченными. Тем не менее технологии ИК-Фурье-спектроскопии показали потенциал для оценки этого заболевания в экспертной практике. Они позволяют выявлять карбониловые эфиры, алкиновые группы CH и СН2-липиды в миокарде у мышей с диабетом, а также отмечают значительные изменения в конформационной трансформации β-структуры и α-спирали общих липидов, сахаров и белков по сравнению со здоровыми мышами. Эти результаты указывают на возможность использования ИК-Фурье-спектроскопии для определения или исключения смерти от диабетической кардиомиопатии во время секционного исследования [78]. В аналогичном исследовании использовали ИК-Фурье-спектроскопию в режиме ослабленного полного внутреннего отражения для анализа различных жидкостей организма на мышиной модели диабетической кардиомиопатии. Результаты показали линейную корреляционную связь между тяжестью заболевания и концентрацией биомаркёров в плазме, слюне, моче, а также в комбинации плазмы и слюны. Эти данные подчёркивают потенциал ИК-Фурье-спектроскопии в режиме ослабленного полного внутреннего отражения для экспресс-диагностики диабетической кардиомиопатии [79].

Спектроскопия в качестве метода химического анализа обладает уникальной возможностью определения химического состава и молекулярной структуры тканей и веществ человеческого организма. Этот подход предоставляет исчерпывающую и ценную информацию, необходимую для установления причин смерти в рамках судебно-медицинских исследований. В отличие от традиционных аналитических методов, требующих сложной подготовки и разделения образцов, методы спектроскопии позволяют осуществлять прямой анализ необработанных образцов, что значительно упрощает процесс.

Спектроскопические методы предлагают более быстрые, точные и надёжные дополнительные инструменты как при проведении судебно-медицинской экспертизы трупов, так и вещественных доказательств биологического происхождения. Кроме того, интеграция алгоритмов машинного обучения с различными аналитическими технологиями обещает повысить точность анализа данных и идентификацию исследуемых образцов, способствуя междисциплинарному сотрудничеству и продвижению современных технологий и методов анализа в области судебной медицины.

Перспективы

Рамановская и ИК-Фурье-спектроскопия представляют собой две важные аналитические методики, используемые в судебной медицине, которые демонстрируют множество путей для дальнейшего развития и значительный потенциал применения. ИК-Фурье-спектроскопия основана на облучении образца инфракрасным излучением, последующем измерении поглощённого или прошедшего света и преобразовании этих данных в спектральный график, позволяющий определить молекулярный состав образца. Эта технология имеет неоценимое значение в области судебной экспертизы, поскольку она помогает идентифицировать мельчайшие улики, которые могли бы остаться незамеченными невооружённым глазом. Она особенно эффективна при дифференциации типов следов крови, включая возможность отличать периферическую кровь от менструальной, а также определять наличие и концентрации определённых молекул. Интересно, что ИК-Фурье-спектроскопия может обеспечить биохимическое профилирование гипоталамуса как в условиях летальной гипертермии, так и гипотермии.

Рамановская спектроскопия, в свою очередь, использует метод измерения, основанный на количественной оценке рассеянного света, а не поглощённого или прошедшего излучения. Эта методология использует неупругое рассеяние фотонов для выяснения молекулярного состава и идентификации химических связей в образце. С помощью рамановской спектроскопии можно точно различать такие признаки, как принадлежность крови взрослому человеку или новорождённому.

Как рамановская, так и ИК-Фурье-спектроскопия являются бесценными инструментами в судебной медицине, предлагая неразрушающий анализ, что позволяет сохранить целостность образца для дальнейшего исследования при необходимости. Таким образом, оба метода остаются важными и быстро развиваются как в технологическом, так и в практическом плане, демонстрируя значительную ценность. Ожидаемые усовершенствования в технологиях рамановской и ИК-Фурье-спектроскопии будут направлены на повышение чувствительности, увеличение скорости обнаружения и общую эффективность.

Параллельно с этим продолжают разработку нового программного обеспечения и алгоритмов, которые будут синергетически интегрировать эти технологии с колебательной спектроскопией, что улучшит точность и достоверность получаемых данных. Также ожидается дальнейшая миниатюризация и автоматизация рамановской и ИК-Фурье-спектроскопии, что сделает эти технологии более практичными и удобными в использовании. Применения данных методов в судебной медицине будет продолжать расширяться, предлагая новые возможности для повышения качества судебно-медицинских экспертиз.

Заключение

Рамановская и ИК-Фурье-спектроскопия — это высокоэффективные аналитические методы, активно используемые в судебной медицине для решения множества диагностических задач, включая идентификацию вещественных доказательств биологического происхождения и определение причин смерти. Оба метода обладают высокой точностью, скоростью и возможностью неразрушающего анализа, что открывает многообещающие перспективы для их применения в судебной медицине.

Тем не менее несмотря на свою эффективность, рамановская и ИК-Фурье-спектроскопия имеют ограничения, связанные с высокой стоимостью, что препятствует их широкому внедрению. Кроме того, всесторонний анализ спектральных данных в судебной медицине и патологоанатомической практике часто требует специальных навыков в области машинного обучения и искусственного интеллекта, что представляет собой дополнительное препятствие для специалистов, у которых могут отсутствовать такие знания.

Ожидается, что по мере развития общества и технологий искусственного интеллекта порог внедрения рамановской и ИК-Фурье-спектроскопии будет снижаться, что приведёт к их более широкому применению в судебно-медицинской практике.

Дополнительная информация

Вклад авторов. К.Б. Агнокова, А.З. Шихабидов, Ф.А. Кадырова, М.А. Мугадова, Д.Р. Багирова — концепция работы, сбор и анализ литературных данных; К.Д. Шкода, М.Ш. Темирова, З.А. Абуева, И.А. Ибрагимова, А.Г. Гамзатова — анализ литературных данных, написание рукописи; М.А. Махмудова, Д.С. Панченко, М.Р. Туразова — написание и редактирование рукописи. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Неприменимо.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена в соответствии с процедурой fast-track. В рецензировании участвовали два внешних рецензента и научный редактор издания.

Additional information

Authors’ contribution. K.B. Agnokova, A.Z. Shihabidov, F.A. Kadyrova, M.A. Mugadova, D.R. Bagirova: concept and design of review, information search; K.D. Shkoda, M.Sh. Temirova, Z.A. Abueva, I.A. Ibragimova, A.G. Gamzatova: literature data analysis, writing the manuscript; M.A. Makhmudova, D.S. Panchenko, M.R. Turazova writing and editing the manuscript. Thereby, all authors provided approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work in ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Ethics approval. Not applicable.

Funding sources. No funding.

Disclosure of interests. The authors have no relationships, activities or interests for the last three years related with for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality. In creating this work, the authors did not use previously published information (text, illustrations, data).

Data availability statement. The editorial policy regarding data sharing does not apply to this work.

Generative AI. Generative AI technologies were not used for this article creation.

Provenance and peer-review. This article was submitted to the Journal on an unsolicited basis and reviewed in accordance with the fast-track procedure. Two external peer-reviewers and the scientific editor were involved in the review process.

About the authors

Kamilla B. Agnokova

Kuban State Medical University

Author for correspondence.
Email: formedkey@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-3594-0328
Russian Federation, 4 Mitrofan Sedin st, unit Ya, Krasnodar, 350063

Agakerim Z. Shikhabidov

Astrakhan State Medical University

Email: agakerim.shikhabidov@icloud.com
ORCID iD: 0000-0002-9257-2553
SPIN-code: 4699-4950
Russian Federation, Astrakhan

Kseniya D. Shkoda

Kuban State Medical University

Email: shkodinkaaa@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-7447-1080
Russian Federation, 4 Mitrofan Sedin st, unit Ya, Krasnodar, 350063

Fatima A. Kadyrova

Astrakhan State Medical University

Email: kadyrova.fatima.01@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3385-1894
SPIN-code: 9770-3342
Russian Federation, Astrakhan

Minazhat A. Mugadova

Astrakhan State Medical University

Email: mina.mugadova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0323-8076
Russian Federation, Astrakhan

Dzhamilya R. Bagirova

Astrakhan State Medical University

Email: Dzamilabagirova25@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-9288-7002
Russian Federation, Astrakhan

Makhlie Sh. Temirova

Astrakhan State Medical University

Email: majatemirova7@gmail.com
ORCID iD: 0009-0009-8563-9850
Russian Federation, Astrakhan

Zalina A. Abueva

Kuban State Medical University

Email: Zali02@inbox.ru
ORCID iD: 0009-0006-5793-413X
Russian Federation, 4 Mitrofan Sedin st, unit Ya, Krasnodar, 350063

Imani A. Ibragimova

Kadyrov Chechen State University

Email: madayeva.02@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-4485-9443
Russian Federation, Grozny

Apam G. Gamzatova

Kadyrov Chechen State University

Email: gamzatova0030@mail.ru
ORCID iD: 0009-0006-8569-1059
Russian Federation, Grozny

Mariyan A. Makhmudova

Astrakhan State Medical University

Email: mariyan.makhmudova.23@bk.ru
ORCID iD: 0009-0002-3154-9015
Russian Federation, Astrakhan

Darya S. Panchenko

Astrakhan State Medical University

Email: panchenko-katalevskaya@mail.ru
ORCID iD: 0009-0005-8894-5133
Russian Federation, Astrakhan

Malika R. Turazova

Kadyrov Chechen State University

Email: malika.turazova99@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-4816-3201
Russian Federation, Grozny

References

Supplementary files