Динамическая ядерная поляризация: как методы физики элементарных частиц меняют медицинскую визуализацию

Экспериментальный метод, положивший начало физике ядра и элементарных частиц, в настоящее время используется для измерения химических реакций внутри человеческого тела и для диагностики рака и болезней сердца в почти 50 клинических испытаниях.Джек Миллердемонстрирует неожиданный рост динамической ядерной поляризации, который значительно улучшает качество магнитно-резонансной томографии.

Жизнь для физиков — странная вещь, похоже, создающая порядок во Вселенной, которая в основном имеет тенденцию к беспорядку. На биохимическом уровне жизнь еще более странна – она контролируется и термодинамически поддерживается множеством различных молекул, о которых большинство из нас, вероятно, никогда не слышали. На самом деле, есть одна молекула – пировиноградная кислота – которая имеет решающее значение для поддержания нашей жизни.

При сгорании пировиноградная кислота выделяет углекислый газ и воду. Если вы усердно тренируетесь, а вашим мышцам не хватает кислорода, он анаэробно преобразуется в молочную кислоту, что может вызвать болезненную боль. Позже ваша печень перерабатывает молочную кислоту обратно в сахар, и процесс начинается заново.

Но пировиноградная кислота, известная по химическому составу как 2-оксипропановая кислота (CH3CO-COOH), также является маркером того, что происходит внутри вашего тела. Поднимитесь по лестнице, пропустите прием пищи или воспользуйтесь наркозом, и скорость метаболизма пировиноградной кислоты (и во что она превращается) изменится. Скорость, с которой он производится или потребляется, также будет сильно различаться, если у вас случится сердечный приступ или у вас разовьется рак.

Оказывается, мы можем отследить эту молекулу, используя собственный угловой момент или «спин» ядер пировиноградной кислоты. Спин — это фундаментальное физическое свойство, которое выражается либо целым числом, либо (в случае протонов и ядер углерода-13, например) полуцелым кратным ħ (постоянная Планка, деленная на 2π). Используя экспериментальный метод, известный как «динамическая ядерная поляризация растворения» (d-DNP), можно создать версию кислоты, в которой гораздо больше ядер углерода-13 находится в одном спиновом состоянии, чем в другом.

Вводя эту «гиперполяризованную» пировиноградную кислоту в биологическую систему, мы можем улучшить печально известное плохое соотношение сигнал/шум магнитно-резонансной томографии (МРТ) на ошеломляющие пять порядков. МРТ, которая принесла огромную пользу в медицине, использует сочетание сильных магнитных полей и радиоволн для получения детальных изображений анатомии человека и физиологических процессов внутри тела. Однако его недостатком является то, что пациентам часто приходится сидеть более часа в аппарате МРТ, чтобы врачи могли получить изображения с достаточно хорошим разрешением для их нужд.

Однако с помощью d-DNP мы можем получить впечатляющие МРТ-изображения, которые подробно покажут, что происходит с пировиноградной кислотой в биологических системах. За последние 20 лет этот метод использовался для визуализации бактерий, дрожжей и клеток млекопитающих. В ходе исследования были изучены такие животные, как крысы, мыши, змеи, свиньи, аксолотли и даже собаки, лечившиеся от рака. Самое главное, что около 1000 человек в примерно 20 исследовательских лабораториях по всему миру были обследованы с использованием d-DNP, и в настоящее время проводится почти 50 клинических испытаний.

Так как же работает эта техника и что она может рассказать нам о человеческом теле?

Преимущество МРТ в том, что она неинвазивна и не причиняет вреда пациенту, даже если сидеть внутри отверстия магнита не особенно приятно, предоставляя врачам ценные изображения расположения воды и жира в организме. Но магнитный резонанс может дать гораздо больше, чем просто красивые картинки, поскольку поведение ядра в приложенном магнитном поле зависит от того, где находится ядро ​​в молекуле и его точное расположение в организме человека. Фактически, мы можем использовать радиоволны для измерения количества и местоположения этих ядер в биологических системах, превращая МРТ в спектроскопический метод.

МРТ-спектроскопия способна выявить точное распределение молекул, таких как молочная кислота и аденозинтрифосфат (АТФ – источник энергии для использования и хранения на клеточном уровне) практически в любой биологической ткани. К сожалению, эти молекулы обычно присутствуют в такой низкой концентрации, что их МРТ-изображения имеют гораздо более низкое разрешение, чем эквивалентные изображения воды или жира. Хуже того, большинство экспериментов по МРТ-спектроскопии требуют, чтобы пациент часами сидел неподвижно, чтобы получить достаточно приличных данных, что сложно, особенно если у него чешется нос или ему нужен туалет.