Обзорscience-compressor

МР-спектроскопия

Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) — метод позволяющий определить биохимические изменения тканей при различных заболеваниях по концентрации определённых метаболитов. МР-спектры отражают относительное содержание биологически активных веществ в определённом участке ткани, что характеризует процессы метаболизма. Нарушения метаболизма возникают, как правило, до клинических проявлений заболевания, поэтому на основе данных МР-спектроскопии можно диагностировать заболевания на более ранних этапах развития.

МРС впервые использовали при исследовании эритроцитов в 1973 году Мун и Ричардс, а в 1974 году при помощи МРС Хаулт исследовал бедренную мышцу мыши.

Основные ядра для in vivo-МР-спектроскопии – это протоны (H), 31-фосфор (31P) и 13-углерод (13С). Из всех магнитных ядер протоны дают наибольший сигнал МР. Атомы водорода входят в состав всех биологических и медицинских препаратов, интермедиатов и продуктов. Поэтому протоны – удачный зонд для мониторинга метаболизма. Однако, протонная спектроскопия связана с большими техническими трудностями. Сигналы воды и липидов чаще всего не очень интересны с медицинской точки зрения. Концентрация протонов воды в тканях составляет 35 M, в то время как концентрация интересующих нас метаболитов находится в диапазоне ниже 10 мМ, т.е. она минимум в 3000 раз ниже. Поэтому маленькие сигналы метаболитов маскируются гигантскими по сравнению с ними сигналами воды и липидов. Только такие технически сложные методы, как селективное возбуждение, селективное насыщение, подавление за счет релаксации и многоквантовая спектроскопия, позволяют подавлять эти сигналы до уровня сигналов метаболитов и обнаружить сигналы таких метаболитов, как лактат (Lac), холин (Ch), креатин (Cr), N-ацетил-аспартат (NAA), фосфохолин (РСНО), д-инозитол и др. 1Н in vivo спектроскопия применяется прежде всего для изучения демилиенизирующих процессов белого вещества мозга и дифференциации

Пики

  • лактат: резонирует при 1,3 м.д.
  • липиды: резонирует при 1,3 м.д.
  • аланин: резонирует при 1,48 м.д.
  • N-ацетиласпартат (NAA): резонирует при 2,0
  • глутамин / глутамат: резонирует при 2,2-2,4 м.д.
  • ГАМК: резонирует при 2,2-2,4 м.д.
  • 2-гидроксиглютарат: резонирует при 2,25 ppm
  • цитрат: резонирует 2,6 м.д.
  • креатин: резонирует при 3,0 м.д.
  • холин: резонирует при 3,2 м.д.
  • мио-инозитол: резонирует при 3,5 м.д.
  • вода резонирует при 4,4 м.д.
normal-mrs-in-a-2-year-old

Патологические сдвиги

Глиома

По мере повышения уровня NAA и креатина снижаются, а холин, липиды и лактат увеличиваются.В условиях глиомы холин будет повышаться за пределами усиления контраста в соответствии с клеточной инфильтрацией.

Не-глиальные опухоли

Незначительные изменения пика NAA.

Лейкодистрофии

Прогрессирующая мультифокальная лейкоэнцефалопатия повышение Мио-инозитол. Болезнь Канавана повышение NAA.

Митохондриальные заболевания

Синдром Лея: повышение пика холина, снижение NAA и реже повышение пика лактата.

Инфекция

Пик NAA отсутствует при всех патологических процессах, разрушающих ткань головного мозга. При абсцессе пик лактата, аланина, ацетата повышен. Пик холина низкий или отсутствует при токсоплазмозе, а при лимфоме повышен, данный показатель используют для отличия одного патологического процесса от другого.

Ишемия и инфаркт

Пик лактата будет повышаться, как только клетки головного мозга переходят на анаэробный метаболизм. Пик липидов и всех остальных пиков будет снижаться.

Фосфорная спектроскопия

Пока технические проблемы протонной спектроскопии не были успешно преодолены, фосфорная спектроскопия in vivo занимала первое место в медико­биологических исследованиях. Во-первых, 31P, как и !И, имеет 100% изотопную распростренность и, следовательно, большую концентрацию, во вторых, в спектре появляется только ограниченное число известных легко идентифицируемых метаболитов таких, как 3 пика аденозинтрифосфата (АТФ, ATP), пики аденозиндифосфата (АДФ,ADP), фосфокреатина (PCr), неорганического фосфата (pi), фосфоэфиров (PE) и сахарных фосфатов (SP). Из положения линии неорганического фосфата можно однозначно определить внутриклеточное значение pH. Эти фосфорсодержащие метаболиты играют большую роль при энергетическом метаболизме и появляются в значительных количествах не только в мышцах, но, например, в мозге и в печени. Особенно интересно наблюдать за изменением соотношения метаболитов и pH во время нагрузки. 31P- спектроскопию можно также применять для наблюдения за эффективностью терапии рака.

P-mrs

Углеродная спектроскопия

В отличие от ТН и 31Р, магнитный изотоп углерода 13С не является самым распространенным изотопом этого ядра. Его абсолютная чувствительность примерно в 5000 раз ниже, чем для H, однако, современные методы МРС позволяют наблюдать и его сигнал с достаточной чувствительностью. 13С присутствует во всех биологических препаратах, и соответствующие сигналы имеют широкий интервал химических сдвигов, т.е. частоты химически неэквивалентных ядер настолько отличаются друг от друга, что вероятность их наложения невелика. Одним из преимуществ МРС 13С-спектроскопии является возможность проведения исследований с мечеными веществами. Давая животному или пациенту вещества, обогащенные 13С, мы можем следить за большими и четко различимыми сигналами этих меченых веществ и пытаться выяснить, как они метаболируют в организме. Поскольку каждому положению атома углерода в молекуле отвечает вполне характерный сигнал, эксперимент с метками можно использовать не просто для доказательства того, какие молекулы взаимодействуют с меткой, но и для достоверного указания точной внутримолекулярной позиции такого взаимодействия. Такая информация предельно полезна при изучении биохимических путей превращения одних молекул в другие в организме. 13С МР-спектроскопия может также обнаруживать сигналы от сахаров, липидов и гликогена в печени и в мышцах. Можно получить информацию об углеродном балансе энергетического метаболизма, которая дополняет информацию, приносимую об этом метаболизме с помощью МР 31Р-спектроскопии. Многообещающей областью применения UC МР-спектроскопии является анализ таких физиологических жидкостей, как кровь и моча. Эта процедура может осуществляться вполне рутинным образом с помощью аналитических МР- спектрометров с очень сильными магнитными полями.