Материалы портала «Научная Россия»

Гиперполяризация ядерных спинов и её применение в биомедицине

Гиперполяризация ядерных спинов и её применение в биомедицине
Российская академия наук продолжает цикл лекций, открытых для посещения всем желающим.

Лекция профессора РАН, ассистент-профессора Университета Вандербильт (США) Эдуарда Юрьевича Чекменева посвящена гиперполяризации ядерных спинов — это явление позволяет в миллионы раз раз увеличить чувствительность МРТ. Молекулярное томографирование методом МРТ дает возможность визуализировать многие процессы метаболизма и функции органов, поскольку гиперполяризованные элементы и соединения можно наблюдать внутри живых организмов при миллимолярных концентрациях. Уже прошли первые клинические испытания по визуализации процессов гликолиза рака и функциональной томографии легких.

Фундаментальная основа ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ) — энергетические переходы между энергетическими уровнями. Еще эти последние называют Зеемановскими уровнями, в честь их первооткрывателя Питера Зеемана, нидерладского физика и лауреата Нобелевской премии по физике 1902 года.

Далее, известно, что многие ядра атомов обладают магнитным спином. Если одновременно присутствует сильное постоянное магнитное поле, то происходит расщепление энергетических уровней в атоме.

Сила сигнала МРТ линейно пропорциональна разнице в заселенности Зеемановских уровней. Ядерные спины имеют очень маленькую разницу в заселенности Зеемановских уровней — это параметр, называемый поляризацией ядерных спинов. Даже при использовании сильных магнитных полей (например 3 Tесла МРТ сканера), уровень поляризации составляет 10-6 — 10-5 для большинства видов стабильных ядер применяемых в биомедицине: протонов, С-13, N-15 и т.д. Как результат, МРТ является относительно нечувствительным методом томографии.

Процесс гиперполяризации позволяет достичь (искусственно и временно) уровня поляризации ядерных спинов вплоть до теоретического уровня единицы или 100%, позволяя увеличить чувствительность МРТ в миллионы раз. Гиперполяризованные элементы и соединения успешно детектируются внутри живых организмов при миллимолярных концентрациях, позволяя молекулярное томографирование методом МРТ многих процессов метаболизма и функции органов. Например, не только прошли клинические испытания по визуализации процессов гликолиза рака и функциональной томографии легких в животных, но первые клинические испытания уже прошли и в волонтерах.

Помимо возможности получения уникальной информации по визуализации процессов на молекулярном уровне, МРТ сканирование с помощью гиперполяризованных соединений (также называемых контрастными агентами) может быть произведено за секунды — например, на одном вдохе пациента. Более того, чувствительность процесса сканирования не зависит от силы магнитного поля МРТ сканера, что дает потенциальную возможность использовать недорогие низкопольные МРТ сканеры, что сделает процедуру молекулярного МРТ существенно дешевле.

Вот каковы основные способы приготовления гиперполяризованных контрастных агентов:

Во-первых, динамическая ядерная поляризация (ДЯП) или Dynamic Nuclear Polarization (DNP). В этом случае сначала гиперполяризуются свободные электроны в радикалах, которые добавляют в смесь контрастного агента. Электроны достигают почти 100% при криогенных температурах ниже 2 Кельвинов и магнитном поле более 3 Тесла, поскольку электронные спины поляризуются в 600-6000 лучше, чем ядерные спины. Эти свободные электроны служат источником гиперполяризации ядер в твердом теле при криогенных температурах и облучении микроволнами.

Например, путем внутривенной инъекции в организм доставляется субстрат гиперполярированного [13С1]-пирувата. Это позволяет визуализировать раковые опухоли путем молекулярного обмена с лактатом, который значительно повышен в раковых опухолях по сравнению с нормальными тканями.

Во-вторых, спин-обменная оптическая накачка (СООН) или Spin Exchange Optical Pumping (SEOP). Здесь мощный (>100 Ватт) узкополосный (<0.5 нм) лазерный луч сначала поглощается электронами рубидия в газовой фазе, и электронная гиперполяризация генерируется в ходе процесса поглощения фотона на частоте в ~796 нм. Далее в процессе столкновения с благородных газом (например, 129Xe) спин-обмен позволяет перенести гиперполяризованное состояние на ядра благородных газов (например, 129Xe).

Самый яркий пример — это гиперполяризация газа 129Xe, который вдыхается пациентов и используется для функциональной 3D МРТ на одном дыхании пациента. Таким образом можно диагностировать и изучать болезни легких.

В-третьих, параводородо-индуцированная поляризация (ПВИП) или Parahydrogen Induced Polarization (PHIP). Этот способ предполагает, что параводород (синглетное состояние молекулы водорода) присоединяется к С=С или СºC связи. После парного присоединения параводорода, он уже не имеет синглетной магнитной симметрии и проявляется в виде идеального гиперполяризованного состояния, которое может быть использовано напрямую или использовано для последующей гиперполяризации ядер 13С внутримолекулярно.

Наконец, в-четвертых, усиление сигнала путем обратимого обмена («САБЛЯ», перевод английской аббревиатуры SABRE — Signal Amplification By Reversible Exchange). При этом способе молекулы параводорода и молекулы субстрата находятся в процессе молекулярного химического обмена на гексакоординорованном иридиевом комплексе. При синхронизации скорости обмена, спин-спиновых взаимодействий и постоянного магнитного поля (в милли- и микро- Тесла режиме) синглетное состояние параводорода может быть преобразовано (самопроизвольно и спонтанно) в гиперполяризацию на ядрах субстрата, который может быть использован в качестве контрастного агента для томографии метаболизма.

Современная медицина сделал огромный прогресс в лечении древних, но по-прежнему не до конца понятых болезней, того же рака. Открытия, сделанные в последние два-три десятка лет, показывают, что многие процессы необходимо изучать на молекулярном уровне. Несомненно, явление гиперполяризаи ядерных спинов имеет большой потенциал по этой части.

Эдуард Юрьевич Чекменев, профессор РАН, ассистент-профессор Университета Вандербильта (США). Область научных интересов — химия ЯМР гиперполяризованных состояний и МРТ гиперполяризованных контрастных агентов.

Он также ведет активную экспертную работу, входит во многие крупные научные профессиональные организации, например, Международное общество магнитного резонанса в медицине и Американское химическое общество). Кроме того, Эдуард Чекменев выступает в качестве рецензента заявок на финансирование.

биомедицина гиперполяризация ядерных спинов открытые лекции профессора ран ядерные спины

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий