Английские и шведские исследователи разработали безвредную методику измерения водородного показателя pH внутри живого организма на основе магнитно-резонансной спектроскопии. Она пригодится для диагностики новообразований, воспалений и других патологий. Физические методы исследований в биомедицинской науке сильно отличаются от инструментария других разделов прикладной физики.
ЯМР-спектр 13С в опухолевой ткани. Благодаря химическому сдвигу четко разделены пики, отвечающие углероду в составе иона HCO3– и молекулы CO2. По относительной силе этих пиков можно определить pH ткани. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
С одной стороны, процессы, протекающие в живом организме, очень многофакторны, и поэтому их можно пытаться изучать самыми разными физическими методами. Но с другой стороны, для того, чтобы не нарушать сами эти процессы, приходится искать неинвазивные (то есть «невмешивающиеся») методы исследования. Конечно, на сегодня таких методов уже наработано немало, но тем не менее многого в диагностическом арсенале врачей пока не хватает. Например, до сих пор отсутствовала удобная неинвазивная методика определения pH — величины, показывающей кислотно-щелочной баланс в той или иной ткани.
Недавно этот пробел был восполнен: в статье, опубликованной в журнале Nature, рассказывается о разработке и успешном применении быстрой и точной методики измерения pH с помощью магнитно-резонансной томографии. Напомним, что в нейтральной водной среде часть молекул воды H2O диссоциирует на ионы H+ и OH–, которых там поровну. В кислотной среде ионы H+ преобладают над OH–, а в щелочной среде, наоборот, баланс смещается в сторону OH–. Значение pH жидкости выражает концентрацию ионов H+ и показывает, к чему ближе исследуемая жидкость — к кислотам или к щелочам. Правильная концентрация ионов в различных физиологических жидкостях очень важна для нормальной жизнедеятельности. Поэтому в норме pH должен иметь определенное, правда тканеспецифическое, значение.
При патологии pH может смещаться, и иногда именно это смещение оказывается удобным для диагностики ранним индикатором изменений, начинающихся в тканях. Уже установлено, что воспалительные процессы, образование опухолей, ишемическая болезнь сердца, легочные заболевания и некоторые другие патологии сопровождаются смещением кислотно-щелочного баланса в ткани. На роль неинвазивной методики измерения pH в глубоко лежащих тканях уже давно напрашивалась магнитно-резонансная томография. Однако на пути к реализации этой идеи лежало немало трудностей, которые были преодолены только сейчас.
Вообще, явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) состоит в том, что находящиеся в магнитном поле атомные ядра с ненулевым спином способны поглощать радиоволны строго определенной, резонансной, частоты. Можно создать такое магнитное поле, чтобы «резонировал» не весь исследуемый образец, а только маленькая область внутри него, а затем, меняя поле, можно последовательно просканировать весь образец и по интенсивности поглощения радиоволн выяснить, как «настроенный на резонанс» химический элемент распределен внутри образца. ЯМР-спектроскопия обладает очень ценным свойством — она позволяет не только обнаружить присутствие элемента, но и узнать, в каком химическом окружении он находится.
Дело в том, что электронная оболочка слегка уменьшает «кажущееся» магнитное поле для ядра. Возникающее из-за этого смещение резонансной частоты ядра внутри атома или иона по сравнению с резонансной частотой «голого» ядра называется химическим сдвигом. Поскольку в разных молекулах электронная структура разная, то и вызванный ею химический сдвиг тоже отличается. В результате один и тот же элемент может дать на ЯМР-спектре сразу несколько пиков при разных резонансных частотах, отвечающих разным химическим сдвигам. В принципе, этого достаточно для определения pH вещества.
Например, с помощью протонного ЯМР можно напрямую определить соотношение между ионами H+ и OH– и вычислить pH. Однако подобные методы, опирающиеся на традиционный ЯМР, работают только «в принципе» — они обладают слишком слабой чувствительностью для реальных задач и не позволяют измерить pH с хорошей точностью и с требуемым пространственным разрешением. Выход из этой ситуации нашла недавно группа исследователей из Кембриджа и Амершема (Англия), а также Мальмё (Швеция); в их статье описывается новая методика и результаты ее успешного применения на мышах. В этой методике для измерения pH используется ЯМР-сигнал от ядер углерода-13, входящих в состав молекул CO2 и ионов HCO3–. Благодаря разному химическому сдвигу эти сигналы четко разделены на ЯМР-спектре (см. рис. 1), и, сравнивая эти два пика, можно определить pH исследуемой ткани.
Правда, из-за слишком малой природной концентрации изотопа 13С и его слабой поляризуемости такой четкий сигнал, как на рис. 1, просто так не получишь. Для этого экспериментаторы воспользовались специальной методикой предварительной поляризации ядер 13С, разработанной ими же два года назад. Небольшой объем жидкости с растворенным в ней углекислым газом, обогащенным углеродом-13, охлаждался до температуры около 1 кельвина, потом с помощью микроволнового излучения поляризация электронных оболочек передавалась ядрам углерода, а затем образец вновь разогревался до температуры тела. Такая гиперполяризованная (но совершенно безвредная для организма) жидкость вводилась подкожно или внутривенно, проникала в ткани, и затем снимался обычный ЯМР-спектр. Правда, все эти операции требовалось делать быстро, в течение десятка секунд, иначе углерод-13 терял свою поляризацию и ЯМР-сигнал пропадал.
 |
Слева: Протонное ЯМР-изображение поперечного сечения мыши с имплантированной опухолью (опухоль обведена красной линией). Справа: карта pH, полученная описанным методом.
Описав в своей статье эту методику и методы ее калибровки, авторы затем предъявили результаты эксперимента по определению pH в живой мыши. Ей имплантировали в тело опухоль, затем ввели подкожно жидкость с гиперполяризованным CO2 и с помощью описанной методики построили распределение pH внутри организма (см. рис. 2).
На рисунке видно, что внутри опухоли (ее контур показан красной линией) pH-баланс сдвинут в сторону чуть более кислой среды, как и ожидалось для опухолевой ткани. Это показывает, что методика работает, и, поскольку в ней используется совершенно безвредный для организма раствор, она уже готова к клиническому применению и на человеке.
Источник: elementy