Открытая лекция профессора РАН

Гиперполяризация ядерных спинов и её применение в биомедицине

Многие ядра атомов обладают магнитным спином, наличие которого в присутствии сильного постоянного магнитного поля приводит к расщеплению энергетических уровней (называемых Зеемановскими уровнями в честь их первооткрывателя Питера Зеемана). Энергетические переходы между Зеемановскими уровнями являются фундаментальной основой ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ). Сила МРТ сигнала линейно пропорциональна разнице в заселенности Зеемановских уровней. Ядерные спины имеют очень маленькую разницу в заселенности Зеемановских уровней – параметр называемый поляризацией ядерных спинов. Даже при использовании сильных магнитных полей (например 3 Tесла МРТ сканера), уровень поляризации составляет 10-6 – 10-5 для большинства видов стабильных ядер применяемых в биомедицине: протонов, С-13, N-15 и т.д. Как результат, МРТ является относительно нечувствительным методом томографии.

Процесс гиперполяризации позволяет достичь (искусственно и временно) уровня поляризации ядерных спинов вплоть до теоретического уровня единицы или 100%, позволяя увеличить чувствительность МРТ в миллионы раз. Гиперполяризованные элементы и соединения успешно детектируются внутри живых организмов при миллимолярных концентрациях, позволяя молекулярное томографирование методом МРТ многих процессов метаболизма и функции органов. Например, клинические испытания по визуализации процессов гликолиза рака и функциональной томографии легких были продемонстрированы не только в животных, но и уже прошли первые клинические испытания в волонтерах.

Помимо возможности получения уникальной информации по визуализации процессов на молекулярном уровне, МРТ сканирование с помощью гиперполяризованных соединений (также называемых контрастными агентами) может быть произведено за секунды (например на одном вдохе пациента). Более того чувствительность процесса сканирования не зависит от силы магнитного поля МРТ сканера, и низкопольные (и недорогие) МРТ сканеры могут быть потенциально использованы для существенного удешевления процедуры молекулярного МРТ.

Основные способы приготовления гиперполяризованных контрастных агентов:

1) Динамическая Ядерная Поляризация (ДЯП) или Dynamic Nuclear Polarization (DNP), где сначала гиперполяризуются свободные электроны в радикалах, которые добавляют в смесь контрастного агента. Электроны достигают почти 100% при криогенных температурах ниже 2 Кельвинов
и магнитном поле более 3 Тесла, поскольку электронные спины поляризуются в 600-6000 лучше, чем ядерные спины. Эти свободные электроны служат источником гиперполяризации ядер в твердом теле при криогенных температурах и облучении микроволнами. Самый яркий пример использования ДЯП – это гиперполяризации [13С1]-пирувата. После растворения гиперполяризованного субстрата, он доставляется в организм путем внутривенной инъекции, где позволяет визуализировать раковые опухоли путем молекулярного обмена с лактатом, который значительно повышен в раковых опухолях по сравнению с нормальными тканями.

2) Спин-обменная Оптическая Накачка (СООН) или Spin Exchange Optical Pumping (SEOP), где мощный (>100 Ватт) узкополосный (<0.5 нм) лазерный луч сначала поглощается электронами рубидия в газовой фазе, и электронная гиперполяризация генерируется в ходе процесса поглощения фотона на частоте в ~796 нм. Далее в процессе столкновения с благородных газом (например, 129Xe) спин-обмен позволяет перенести гиперполяризованное состояние на ядра благородных газов (например, 129Xe). Самый яркий пример – это гиперполяризация газа 129Xe, который вдыхается пациентов и используется для функциональной 3D МРТ на одном дыхании пациента. Таким образом можно диагностировать и изучать болезни легких.

3) ПараВодородо-Индуцированная Поляризация (ПВИП) или Parahydrogen Induced Polarization (PHIP), где параводород (синглетное состояние молекулы водорода) присоединяется к С=С или СºC связи. После парного присоединения параводорода, он уже не имеет синглетной магнитной симметрии и проявляется в виде идеального гиперполяризованного состояния, которое может быть использовано напрямую или использовано для последующей гиперполяризации ядер 13С внутримолекулярно.

4) Усиление Сигнала путем Обратимого Обмена “САБЛЯ” или Signal Amplification By Reversible Exchange (SABRE), где молекулы параводорода и молекулы субстрата находятся в процессе молукулярного химического обмена на гексакоординорованном иридиевом комплексе. При синхронизации скорости обмена, спин-спиновых взаимодействий и постоянного магнитного поля (в милли- и микро- Тесла режиме) синглетное состояние параводорода может быть преобразовано (самопроизвольно и спонтанно) в гиперполяризацию на ядрах субстрата, который может быть использован в качестве контрастного агента для томографии метаболизма.