Явление ЯМР и магнитно-резонансная спектроскопия

Явление магнитного резонанса состоит в поглощении электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне ядрами, находящимися в постоянном магнитном поле. Этой способностью обладают ядра, имеющие собственный магнитный момент, или спин.

Сокращения: ГАМК - у-аминомасляная кислота; ГО - гемодинамический ответ; МРС - магнитно-резонансная спектроскопия; фМРТ - функциональная магнитно-резонансная томография; ФФК - фосфофруктокиназа; ЧМТ - черепно-мозговая травма; ЯМР - ядерно-магнитный резонанс; АсСоА - ацетилкоэнзим А; ASPA - аспартоацилаза; dHb - дезоксигемоглобин; Hb - оксигемоглобин; NAA - N-ацетиласпартат; РСйо - фосфохолин.

Магнитное ядро, помещенное в постоянное магнитное поле, приобретает дискретный набор разрешенных энергетических состояний. Для ядер со спином 1/2 (например ¹H) таких состояний два. Разность энергий между этими энергетическими состояниями пропорциональна напряженности постоянного магнитного поля В₀.

AE = YhB₀,

где h — постоянная Планка, AE — разность энергий между магнитными уровнями, у — гиромагнитное отношение (определяется строением ядра); h • 2nv = AE , где v - частота переходов между энергетическими уровнями, или резонансная частота. Отсюда.

v = yB₀/2n . ⁽¹⁾

В магнитном поле с напряженностью B₀ частоты, при которых происходит переход, имеют строго фиксированное значение, поэтому их называют частотами ядерного магнитного резонанса. ЯМР-частоты ядер лежат в пределах радиодиапазона. Из-за низких энергий радиочастотное излучение считается биологически безопасным.

В постоянном магнитном поле B₀ в тепловом равновесии большая часть ядер находится в нижнем из разрешенных энергетических состояний, создавая макроскопическую намагниченность образца, ориентированную по полю.

Ядро в составе молекулы испытывает действие локального магнитного поля, возникающего вследствие взаимодействия электронов химической связи с внешним магнитным полем. В результате происходит сдвиг частоты, зависящий от электронного окружения ядра. Этот сдвиг, называемый химическим сдвигом 5, является причиной возникновения ЯМР-спектра. В спектре частотные сдвиги резонансов ядер определяются химическим строением молекулы и являются специфической характеристикой для каждого из ее структурных фрагментов. Величины 5 малы по сравнению с резонансной частотой ядра и измеряются в миллионных долях. Значения 5 отсчитываются от выбранного реперного сигнала. В ¹H МР-спектрах это сигнал протонов воды (5=4,7 ppm), в ³¹P МР-спектрах - сигнал фосфатной группы фосфокреатина (5=0 ppm). В молекулах ядерные магнитные моменты взаимодействуют друг с другом. Взаимодействие ядерных спинов между атомами соседних групп разной химической структуры через электроны химических связей или между химически неэквивалентными атомами в составе одной группы приводит к расщеплению соответствующих сигналов на мультиплеты. Этот эффект, имеющий название «спин-спиновое взаимодействие», подчиняется строгим закономерностям, определяющим число линий в мультиплете и величину константы спин-спинового взаимодействия (Лундин, Федин, 1986; Сергеев, 1981; Gunter, 1995).

При исследовании метаболизма методом ЯМР величины 5, интенсивности сигналов, константы спин-спинового взаимодействия, мультиплетность сигнала позволяют установить химическую структуру отдельных метаболитов в тканевых экстрактах, а затем изучать их относительное содержание in vivo. Концентрации метаболитов in vivo определяют по интенсивности идентифицированных сигналов их молекулярных фрагментов, нормированной на интенсивность сигнала внутреннего концентрационного стандарта - соединения, концентрация которого известна и не изменяется в изучаемом процессе (Diehl et al., 1992). Помимо идентификации эффекты спин-спинового взаимодействия используют в целях спектрального редактирования, поскольку они позволяют разделить сигналы с перекрывающимися химическими сдвигами (Williams et al., 1988). Релаксационные характеристики сигналов необходимо учитывать в импульсных последовательностях, использующихся как для локализации области интереса - объема ткани (вокселя), в котором исследуют метаболизм, так и для спектрального редактирования. К сожалению, воксель часто не может быть уменьшен до желаемых размеров из-за низкой чувствительности метода. Именно чувствительность является основным ограничением МРС. Даже используя поле с напряженностью 3Т, удовлетворительное соотношение сигнал/шум в ¹H МР-спектрах (протоны имеют максимальную магнитную восприимчивость) за разумное время можно получить в объеме не менее 8 см³ и детектировать сигналы соединений, концентрации которых выше 1 мМ. В таких количествах в клетках присутствуют предшественники и конечные продукты метаболических путей.

МРС на протонах и гетероядрах позволяет исследовать разнообразные метаболические потоки. С помощью ¹H МРС изучают метаболизм аминокислот, анаэробный метаболизм глюкозы, методом ³¹Р МРС - энергетический обмен, методом ¹³С МРС - метаболизм глюкозы и лекарственных препаратов. На ядрах ²³N , ³⁹K исследуют ионный транспорт, на ядрах ¹⁹F - метаболизм и фармакокинетику фторсодержащих лекарственных препаратов. В медицине по причинам, связанным с необходимостью быстро получить спектр с удовлетворительным отношением сигнал/ шум, используют ¹H МРС и в значительно меньшей степени ³¹Р МРС, поскольку чувствительность ³¹Р МР составляет лишь 7% от чувствительности ¹H МР.

3.