Билет 5 Мембранные технологии разделения биологического материала

Часто возникает необходимость сконцентрировать водные растворы макромолекул и удалить из них мелкие неорганические ионы. Самый распространенны способ концентрирования вещества – использование специфических мембран. Диффузия небольших молекул обеспечивается следующими факторами:

А) диализ – разность концентраций подлежащего удалению вещества в исследуемом растворе и чистом растворителе находящиеся по разным сторонам мембраны;

Б) ультрафильтрация – разность гидростатических давлений по обе стороны мембраны обеспечивающую диффузию молекул растворителя через мембрану;

В) электродиализ – при переносе ионов через мембрану – приложенным внешним электрическим полем;

Наиболее часто используют мембраны – это прозрачные целлюлозные пленки или трубочки, так же нецеллюлозные полиэлектролитные комплексы.

Диализ. Чтобы удалить из исследуемого раствора молекулы растворенного вещества, его помещают в целлюлозный мешочек и погружают в чистый растворитель (воду или буфер). Малые молекулы будут выходить из мешочка в растворитель до тех пор, пока их концентрации по обе стороны мембраны не выровняются. Для ускорения площадь диализного мешочка делают больше, помня о возможной потере макромолекул сорбции их на мембране.

Если осмотическое давление в исследуемом растворе и растворителе не одинаково, то по мере выхода из диализного мешочка растворенного вещества молекулы чистого растворителя будут проникать внутрь мембраны (явление осмоса), что приведет к разведению исследуемого раствора. Так же молекулы можно концентрировать путем диализа против растворов высокомолекулярных веществ и диализный мешочек можно подвешивать в струе воздуха.

Ультрафильтрация. Разность давления по обе стороны мембраны создается путем повышения давления со стороны фильтруемого раствора или понижения его в ультрафильтрате. Приборы для ультрофильтрации состоят из камеры особой конструкции, в которой создается положительное давление и снабжены магнитными мешалками.при ультрафильтрации небольших объемом разносто давлений может достигаться путем центрифугирования.

Электродиализ. Принципиально этот метод схож с электрофорезом, с разницей в том, что движение макромолекул ограничевает мембрана.

ЯМР-томография

ЯМР – томография (или МРТ) – это относительно новый вид получения изображения внутренних органов, который начал входить в медицинскую практику в 80-х годах прошлого столетия

ЯМР-томография принципиально отличается от рентгеновской компьютерной томографии, но тоже относится к лучевой диагностике. В чем же его отличие? Самое главное кроется в излучении, используемом для томографии. Это радиоволновой диапазон, обычно с длиной волны от 1 до 300 м. Почему же его сравнивают с КТ? Ответ прост. МРТ и КТ используют совершенно одинаковые принципы автоматического, управляемого компьютером сканирования, обработки и получения послойного изображения внутренней структуры органов. В чем же преимущества ЯМР-томографии?

• Первое преимущество – замена рентгеновских лучей радиоволнами. Это позволяет устранить ограничения на контингент обследуемых (детей, беременных), т.к. снимается понятие лучевой нагрузки на пациента и врача. Кроме того, отпадает необходимость в проведении специальных мероприятий по защите персонала и окружающей среды от рентгеновского излучения.

• Второе преимущество – чувствительность метода к отдельным жизненно важным изотопам и особенно к водороду, одному из самых распространенных элементов мягких тканей. При этом контрастность изображения на томограмме обеспечивается за счет разности в концентрациях водорода в различных участках органов и тканей. При этом исследованию не мешает фон от костных тканей, ведь концентрация водорода в них даже ниже, чем в окружающих тканях.

• Третье преимущество заключается в чувствительности к различным химическим связям у различным молекул, что повышает контрастность картинки.

• Четвертое преимущество кроется в изображении сосудистого русла без дополнительного контрастирования и даже с определением параметров кровотока.

• Пятое преимущество заключается в большей на сегодня разрешающей способности исследования – можно увидеть объекты размером в доли миллиметра.

• И, наконец, шестое – МРТ позволяет легко получать не только изображения поперечных срезов, но и продольных.

Конечно же, как и любая другая методика, ЯМР-томография имеет свои недостатки. К ним относят:

• Необходимость создания магнитного поля большой напряженности, что требует огромных энергозатрат при работе оборудования и/или использования дорогих технологий для обеспечения сверхпроводимости. Радует то, что в научной литературе нет данных об отрицательной влиянии на здоровье магнитов большой мощности.

• Низкая, особенно в сравнении с рентгенологическими, чувствительность метода ЯМР-томографии, что требует увеличения времени просвечивания. Это приводит к появлению искажений картинки от дыхательных движений (что особенно снижает эффективность исследования легких, исследовании сердца).

• Невозможность надежного выявления камней, кальцификатов, некоторых видов патологии костных структур.

• Невозможность обследования некоторых больных, например с клаустрофобией (боязнью закрытых пространств), искусственными водителями ритма, крупными металлическими имплантатами. Не следует забывать и о том, что относительное противопоказание для ЯМР-томографии - беременность. Ну а кардиостимуляторы – строгое противопоказание к исследованию.

В чем же техническая и физическая суть ЯМР-томографии? Ядерным магнитным резонансом называется избирательное поглощение электромагнитных волн (читайте, радиоволн) веществом (в данном случае телом человека), находящимся в магнитном поле, что возможно благодаря наличию ядер с ненулевым магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле протоны и нейтроны этих ядер как маленькие магниты ориентируются строго определенным образом и меняют по этой причине свое энергетическое состояние. Расстояние между этими уровнями энергии столь мало, что переходы между ними способно вызвать даже радиоизлучение. Энергия радиоволн в миллиарды раз меньше, чем у рентгеновского излучения, поэтому они не могут вызвать какие-либо повреждения молекул. Итак, сначала происходит поглощение радиоволн. Затем происходит испускание радиоволн ядрами и переход их на более низкие энергетические уровни. И тот, и другой процесс можно зафиксировать, изучая спектры поглощения и излучения ядер. Эти спектры зависят от множества факторов и прежде всего – от величины магнитного поля. Для получения пространственного изображения в ЯМР-томографе, в отличие от КТ нет необходимости в механическом сканировании системой источник-детектор (антенна передатчик и приемник в случае ЯМР). Эта задача решается изменением напряженности магнитного поля в различных точках. Ведь при этом будет изменяться частота (длина волны), на которой происходит передача и прием сигнала. Если мы знаем величину напряженности поля в данной точке, то можем точно связать с ней передаваемый и принимаемый радиосигнал. Т.е. благодаря созданию неоднородного магнитного поля можно настраивать антенну на строго определенный участок органа или ткани без ее механического перемещения и снимать показания с этих точек, лишь меняя частоту приема волны.

Следующий этап – обработка информации от всех просканированных точек и формирование изображения. В результате компьютерной обработки информации получаются изображения органов и систем в «срезах», сосудистых структур в различных плоскостях, формируются трехмерные конструкции органов и тканей с высокой разрешающей способностью.

Последние революционизирующие изобретения в области ЯМР, включая удивительные методы получения ЯМР- изображений, убедительно свидетельствуют о том, что границы возможного в ЯМР почти безграничны . Замечательные преимущества ЯМР- интроскопии, которые будут высоко оценены человечеством и которые сейчас являются мощным стимулом стремительного развития ЯМР- интроскопии и широкого применения в медицине, заключаются в очень малой вредности для здоровья человека, свойственной этому новому методу.