5. Спиновые метки

Для анализа процессов в биологических тканях с патологиями используют специальные вещества, которые вводят в исследуемую зону, и по ЭПР отклику судят о состоянии тканей [3.3].

К таким веществам относится оксид азота, выполняющего в биологических системах ряд важных функций. Двухатомная молекула оксида азота NO является универсальным регулятором клеточного и тканевого метаболизма, используется в системе регуляции кровяного давления и в развитии иммунной реакции, является нейромедиатором, то есть выполняет роль переносчика сигналов в нервной системе. Кроме того, установлено, что образование избыточного количества NO может быть связано с возникновением некоторых патологических состояний центральной нервной системы, в том числе судорожные расстройства.

Методом ЭПР оксид азота NO, присутствующий в клетках и тканях живых объектов, можно обнаружить, благодаря неспаренному электрону в атоме кислорода. Молекула NO представляет собой короткоживущий радикал (рис.3.17), обладающий высокой реакционной способностью, поэтому концентрация свободных молекул NO в клетке очень мала.

Рис.3.17 Спиновая метка из нитроксильного радикала.

Для регистрации NO-радикалов обычно используют специальные химические ловушки, которые прочно связываются с помощью ковалентных связей и образуют стабильные парамагнитные нитроксильные комплексы, например, по схеме, представленной на рис. 3.18.

Рис 3.18 Схема образования нитроксильного радикала в реакции свободного радикала R и 2-метил-2-нитрозопропана.

Такие комплексы дают характерные сигналы ЭПР, по которым судят об образовании в клетках и тканях NO радикалов.

На рис.3.19 представлены отличающиеся спектры нитроксильных меток в здоровой среде (а) и в среде с патологией (б)

Рис. 3.19 Спектры нитроксильных меток в здоровой и патологической ткани.

В идеале экспериментатор нуждается в метках, которые сообщали бы информацию об определенных функциях исследуемой зоны организма без какого-либо нарушения ее нормальной жизнедеятельности. Это невозможно в полной мере, и исследователь должен сам решать, до какой степени метка изменяет объект исследования и каким образом эти изменения можно контролировать и ограничивать.

5. Магнитно-резонансная томография

Исследования БО методом ЯМР проводятся как правило на ядрах водорода (протонный ЯМР), ядрах дейтерия углерода , а также , реже на других ядрах.

Аппаратурный комплекс для регистрации ЯМР включает в себя: сильный электромагнит (иногда со сверхпроводящими обмотками), создающий поле с магнитной индукцией до 10 Тл; генератор электромагнитного поля радиочастоты; приемник, в катушку которого помещают исследуемый объект и регистрирующее устройство.

Спектры ЯМР получают следующими способами:

путем сканирования частоты электромагнитного поля при В = соnst;

изменением магнитного поля и определением В_рез при ν_ЯМР = соnst;

возбуждением резонанса сразу во всей полосе спектра ЯМР с помощью мощного радиочастотного импульса и последующей обработкой информации на ЭВМ.

Для большинства исследований в биологии и медицине спектр ЯМР лежит в диапазоне от единиц до десятков мегагерц, поэтому метод относят к радиоспектроскопии. Различают два основных направления ЯМР спектроскопии.

ЯМР структурный анализ как метод исследований основан на влиянии на спектр ЯМР внутренних магнитных полей в веществе, обусловленных как химическим составом, так и пространственной ориентацией элементов. Получаемые спектры дают информацию о химической и пространственной структуре вещества без проведения химического анализа. Например, спектры ЯМР применяют для анализа липидного состава мембран, взаимодействия липидов с белками и другими веществами, исследования проницаемости клеточных мембран, состояния ионов в клетках. Данное направление можно рассматривать как аналитический метод исследования.

ЯМР интроскопия метод визуализации внутренних структур биообъектов на основе получения пространственного распределения ядер вещества по данным спектрального анализа. Принцип ЯМР интроскопии состоит в создании пространственного распределения индукции внешнего магнитного поля В(x,y,z), обеспечивающего соответствие частоты резонансного поглощения ν_ЯМР (x,y,z) координатам точки исследуемого пространства для ядер исследуемого вещества. Тогда интенсивность поглощения электромагнитного излучения на данной частоте соответствует концентрации ядер вещества в данной точке пространства: J(ν_ЯМР) ~ С(x,y,z).

Для аппаратной реализации ЯМР интроскопии или магнитной резонансной томографии (МРТ) технически проще обеспечить плоскую задачу соответствия С(ν_ЯМР) ~ С(x,y). Трехмерную визуализацию при этом получают путем перемещения устройства сканирования вдоль координаты z. Поэтому промышленные аппараты для ЯМР интроскопии чаще называют ЯМР томографами. [3.4].

В 1973г. П.Лотербур (США) предложил дополнить эффект ЯМР наложением градиентных магнитных полей для пространственной локализации сигнала. Для этого он использовал программный пакет реконструкции изображений, используемый при проведении рентгеновской компьютерной томографии (РКТ), и получил первую ЯМР-томограмму.

Стандартные протоколы МРТ включают в себя Т₁-взвешенные изображения (чувствительные к наличию жира или крови) и Т₂-взвешенные изображения (чувствительные к отеку и инфильтрации) в двух-трех плоскостях.

Современные установки МРТ имеют вид, изображенный на

рис.3.10.

Рис.3.10 Установка МРТ с катушками для исследования внутренних органов.

На аналогичной установке (рис 3.11) методом МРТ получен характерный срез головного мозга (рис.3.12).

Рис.3.11 Установка МРТ с катушками для исследования головы

Рис.3.12 Типичный портрет среза головного мозга.

На МРТ установке можно получить не косвенные, а прямые данные о структурах мозга и их изменениях. Метод позволяет определить расположение и размеры очагов поражения мозга и их характер.

На рис. 3.13 представлены срезы головного мозга при различных патологиях. Снимок здорового мозга представлен на рис. 3.13.а. Изменения в головном мозге показаны на рис. 3.13 б, в, г:

– разрежение белого вещества мозга (б) при болезни Бинсвангера;

– накопление жидкости в мозговых тканях (гидроцефалия) проявляется в виде расширения борозд и желудочков мозга (показаны стрелками) (в);

– мультиинфарктное состояние, в котором омертвевшая нервная ткань выглядит как небольшие темные пятна, показанные стрелками (г).

Рис. 3.13 Портреты срезов головного мозга при различных патологиях.

На рис. 3.14 показаны: устройство звена позвоночника, портрет нормального позвоночника и портрет позвоночника с грыжей на межпозвонковом диске.

Рис. 3.14 Визуализация грыжи на межпозвонковом диске.

В последнее время для диагностики нарушения кровообращения мозга применяют магнитно-резонансные методы: ядерный магнитный резонанс, магнитно-резонансную томографию и магнитно-резонансную ангиографию. Ядерный магнитный резонанс дает информацию о физико-химических свойствах структур мозга, благодаря чему можно отличить здоровые ткани от измененных. Магнитно-резонансная томография позволяет получить изображения мозга, определить расположение, размеры, форму и количество очагов, изучить мозговой кровоток.

Магнитно-резонансная ангиография представляет собой модификацию магнитно-резонансной томографии. С ее помощью можно исследовать прохождение и размеры внечерепных и внутричерепных артерий и вен (рис. 3.15).

Рис. 3.15 Ангиографические портреты кровеносных сосудов.

Диффузионная тензорная визуализация (ДТВ) — методика магнитно-резонансной томографии, позволяющая оценить диффузию молекул воды вдоль миелиновой оболочки аксонов нервных клеток головного мозга и, таким образом, получить информацию об интеграции структур белого вещества и связях между ними. Методика ДТВ позволяет создать трехмерную нейронную модель головного мозга.

Трехмерная волоконная МР-трактография является новой перспективной методикой, позволяет визуализировать пучки нервных волокон, соединяющие различные зоны мозга, связи между аксонами белого вещества головного мозга, более точно локализовать поражения проводящих путей и улучшить качество диагностики врожденных заболеваний, улучшает оценку гипоксическо-ишемического поражения развивающегося головного мозга новорождённых и детей младшей возрастной группы.

Литература к разделу 3

3.1 Сликтер Ч. Основы теории магнитного резонанса, Издательство МИР, М., 1981.

3.2 Ингрэм Д.Электронный парамагнитный резонанс в биологии. Изд-во «Мир», 1972.

3.3 Свободные радикалы в биологических системах. т.1, ст.88-175, 178-226. Изд-во «Мир», 1979.

3.4 Олейник В.П., Кулиш С.Н. Аппаратные методы исследований в биологии и медицине. Учебное пособие. Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”, 2004. – 110 с.