МРТ о
МРТ основано на принципе ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Дело в том, что организм человека больше чем на половину состоит из воды и, как следствие, из водорода. Атом водорода содержит протон, который имеет магнитный момент (спин) и меняет свою пространственную ориентацию в том числе при внешних радиочастотных импульсах. Иными словами, при воздействии на исследуемую область электромагнитным излучением часть протонов меняет свой магнитный момент на противоположный, а потом возвращается в исходное положение. В это время система сбора данных ЯМР томографа регистрирует положение в пространстве и изменение состояния спинов атомов водорода.
«К сожалению, только 1 из 10 000 спинов ориентирован таким образом, чтобы давать регистрируемый сигнал ЯМР. Остальные же попросту бездействуют, поэтому мы пытаемся использовать поляризацию параводорода — одного из спиновых изомеров молекулы водорода. Сам по себе параводород не дает сигнала ЯМР — это происходит только при его ведении в реакцию, то есть когда нарушается магнитная эквивалентность атомов водорода. Поместив такую поляризованную систему в организм перед диагностикой, можно добиться повышения интенсивности сигнала МРТ», — рассказывает старший научный сотрудник МТЦ СО РАН кандидат химических наук Кирилл Викторович Ковтунов.
Для поляризации ученые изначально применяли гомогенные системы — когда катализатор и реагирующие вещества (субстрат и параводород) находятся в одной (жидкой) фазе. В качестве гомогенного катализатора специалисты используют комплекс металла, на котором и активируется параводород. Однако проблема системы состоит в том, что отделить гомогенный катализатор от поляризованного продукта практически невозможно, а «отправить» фазу в организм в «чистом» виде нельзя: металл зачастую токсичен для человека.
Тогда сибирские ученые применили гетерогенные каталитические системы, где катализатор и поляризуемый субстрат (биомолекула) находятся в разных фазах, а значит, их несложно отделить друг от друга. В итоге специалисты МТЦ СО РАН впервые в мировой практике смогли использовать нанесенные металлические катализаторы для получения гиперполяризованных веществ с помощью гетерогенного гидрирования (то есть присоединения) параводородом.
«Следующим этапом является перенос или получение поляризации на биологически активных молекулах за счет использования параводорода и подходящих методик: биомолекулы как раз можно будет «увидеть» с помощью МРТ. Это существенно расширит не только применимость метода, но и позволит получить новую фундаментальную информацию о процессах, проходящих в живом организме. К биомолекулам относятся биологически «приемлемые» вещества, уже имеющиеся в организме: метронидазол, никотинамид, этанол и т.д. При естественных содержаниях мы никогда их не увидим — не хватает чувствительности метода. Так что в конечном итоге наша задача — создать контрастные вещества нового поколения», — добавляет Кирилл Ковтунов.
Подобная разработка может использоваться и при МРТ легких: они содержат мало жидкости, а значит, и «сигнализирующих» протонов. Для такого МРТ ученые по всему миру пытаются поляризовать благородные газы — гелий, ксенон — с помощью метода оптической накачки (он заключается в спиновом обмене между благородными газами и рубидием, поляризованным за счет лазерного излучения). Правда, это очень дорого: получение одного литра поляризованного ксенона стоит порядка 200 долларов, гелия — 3 000. Сибирские ученые считают, что технология может работать и на основе дешевого параводорода.
«Для этого можно взять газ пропилен, добавить к нему параводород и гетерогенный катализатор, а на выходе получить пропан — это обычная реакция гидрирования. Поляризованный пропан — газ, который позволяет визуализировать методом МРТ любые свободные пространства, включая легкие. Надеюсь, относительно скоро мы выйдем на клинические приложения и заменим дорогой метод оптической накачки нашим», — заключает исследователь.
Данные исследования поддержаны грантом РНФ 17-73-20030 «Повышение чувствительности и расширение применимости медицинской МРТ за счет использования поляризованных биомолекул».
