​Метод магнитно-резонансной томографии считается довольно точным и повсеместно используется в медицине, но всё же у него есть существенные ограничения по чувствительности. Получаемый сигнал реально усилить в десятки тысяч раз, что позволит наблюдать недоступные ранее процессы. Подобные способы уже применяются в медицине, но стоят очень дорого — удешевить процедуру пытаются ученые Международного томографического центра СО РАН. 

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».

Алёна Литвиненко


Похожие новости

  • 18/10/2019

    L’OREAL — UNESCO: они этого достойны

    Три молодых исследовательницы из Новосибирска вошли в число десяти лауреаток конкурса «Для женщин в науке» L’OREAL — UNESCO 2019. Его цель — улучшение позиций женщин-ученых и признания их заслуг. Мы поговорили с победительницами об их работе и о препятствиях, которые им приходится преодолевать.
    1213
  • 31/05/2016

    Новосибирские ученые исследуют кровеносную систему

    ​Кровеносная система лежит в основе функционирования головного мозга, и в области её работы ещё много «белых» пятен. Сибирские учёные в сотрудничестве с медиками решили устранить некоторые из них.  Исследование имеет и прикладной выход: уже создана уникальная система мониторинга нейрохирургических операций, метод повышения качества магнитно-резонансной томографии, а также инструментарий для персонализированного моделирования протекания некоторых болезней.
    3739
  • 29/06/2016

    Кровоизлияние в мозг - не приговор

    ​Каждый шестой человек с геморрагическим инсультом – кровоизлиянием в мозг, вызванным разрывом сосудов, умирает в машине скорой помощи. Риск кровоизлияния, приводящего к летальному исходу или тяжелым неврологическим последствиям, остается высоким даже после успешной операции на сосудах.
    4404
  • 04/09/2016

    IV Молодёжная школа «Магнитный резонанс и магнитные явления в химической и биологической физике»

    ​С 4 по 8 сентября 2016 г. в новосибирском Академгородке пройдет IV Молодежная школа с международным участием "Магнитный резонанс и магнитные явления в химической и биологической физике".
    3992
  • 21/10/2019

    Ученые исследуют двумерные спектры ЯМР спектроскопии

    Спектроскопия ЯМР в двух измерениях является одним из наиболее важных спектроскопических методов изучения биологически важных молекул. Однако, ввиду относительно низкой чувствительности ЯМР спектроскопии, для получения таких спектров зачастую требуются десятки минут и даже часы.
    457
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    887
  • 10/12/2018

    Сибирские ученые исследуют новые контрастные вещества для МРТ

    Сибирские ученые обнаружили, что соединения лантаноидов чувствительны к локальной температуре тканей в организме, а значит, способны определять многие раковые опухоли на ранних стадиях, работая как контрастное вещество при магнитно-резонансной томографии (МРТ).
    1418
  • 23/11/2016

    В новосибирском Академгородке пройдет Международный конгресс по нейровизуализации

    ​24-26 ноября в Академгородке пройдёт Международный конгресс по клинической и трансляционной нейровизуализации с элементами молодёжной научной школы. Учёные из разных областей наук — медицина, биология, химия, физика, математика — соберутся в Новосибирске, чтобы обсудить вопросы строения и функционирования головного мозга, проблемы возникновения, течения и прогноза заболеваний этого органа, и их решение с помощью методов нейровизуализации.
    3212
  • 31/05/2017

    Интерн НГУ получила премию им. Ю.Н. Соколова по лучевой диагностике

    ​23-25 мая 2017 года в Москве состоялся XI Всероссийский национальный конгресс лучевых диагностов и терапевтов «Радиология-2017».  «Радиология» на данный момент является самым популярным и масштабным медицинским мероприятием по лучевой диагностике в нашей стране.
    2029
  • 20/06/2018

    Возможные перспективы Академгородка 2.0

    ​Ведущие ученые СО РАН продолжили обсуждение проектов развития научной инфраструктуры Новосибирского научного центра. Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН выступил инициатором проекта «Сибирский центр малотоннажной химии».
    1932