Галина Казарина, «Эксперт Сибирь» №43(185) / 19 ноября 2007
От изучения человеческого организма до исследования каталитических реакций — возможности магнитно-резонансной томографии велики. Ее активно используют сегодня и практическая медицина, и фундаментальная наука
Когда на Западе работа по развитию фундаментальных аспектов магнитно-резонансной томографии и ее медицинских приложений шла полным ходом, у нас в стране к исследованиям в этой области еще даже не приступили. Догнать, а догнав — перегнать. На этом стояла, стоит и еще долго будет стоять отечественная наука. После нескольких лет напряженной работы, вершившейся на фоне политических и экономических кризисов, наконец догнали: в новом направлении научных исследований — магнитно-резонансной томографии (МРТ) — российские ученые сказали свое первое веское слово. Тут же в головах гвоздем засела мысль — перегнать.
История Международного томографического центра (МТЦ), созданного в Сибирском отделении РАН усилиями Института химической кинетики и горения и группой компаний Bruker Spectrospin (Германия), описывается выше очерченной схемой. В прямом и переносном смыслах построенный на пустыре, научно-исследовательский центр является сегодня признанным мировым лидером сразу по нескольким направлениям. Фундаментальную науку в МТЦ успешно сочетают с медицинской практикой. Именно здесь появился первый за Уралом магнитно-резонансный томограф и началось регулярное диагностическое обследование населения.
Видна птица по томографу
Сфер применения магнитно-резонансной томографии в современной медицине хоть отбавляй. С помощью томографической аппаратуры можно визуализировать головной, спинной мозг, суставы, позвоночник и внутренние органы. Неинвазивно (без вмешательства) измерять скорость кровотока и тока спинномозговой жидкости. С высокой точностью определять контрастность и плотность тканей тела, обнаруживая опухоли, кисты, кровоизлияния в органах, переломы в костях, тромбы в сосудах и даже некоторые виды камней в почках и желчном пузыре. Наличие и распространенность опухолевых образований можно выявлять на ранних стадиях, особенно — при исследовании на высокопольных МРТ-системах.
«Главный козырь магнитно-резонансной томографии в том, что она позволяет видеть мягкие ткани, — объясняет заведующий лабораторией медицинской диагностики Международного томографического центра СО РАН, доктор медицинских наук Андрей Летягин. — Вы можете отличить жировую ткань от мышечной, лимфатические узлы от жировой ткани. Мы прекрасно видим нервную ткань головного мозга, фактически — гель, можем наблюдать даже небольшие ее изменения».
Биофизическая основа магнитно-резонансной томографии в том, что в постоянном магнитном поле клетки человеческого тела обладают уникальными свойствами — они улавливают излучение в радиочастотном диапазоне. В обычном состоянии это свойство у клеток тоже наблюдается, но оно слабо выражено. «Мало того что биомолекулы в клетках организма улавливают излучение, они его еще и отдают обратно! — делает особый акцент на этом Андрей Юрьевич. — Вот почему и называется томография резонансной. То есть биомолекулы входят в резонанс с радиочастотными импульсами и сами начинают излучать аналогичные сигналы. Это как раз и позволяет получать информацию о строении человеческого тела, потому что молекулы с разным строением на разных частотах по-разному резонируют». Исследователи могут не только вычислить координаты исходящего (резонирующего) сигнала, но и дать его качественную характеристику, с большей или меньшей точностью определить строение и химический состав объекта, издающего сигнал.
Объекты исследования в медицинской томографии различаются по-своему. «Мы можем разделить объекты на имеющие большую или меньшую долю содержания жидкости, можем выделить «свободную» воду, поскольку вода дает высокий уровень сигнала. Из резонирующих в меньшей степени структур — липидопротеиновые и углеводородные соединения. Их них состоят, например, мягкие ткани, которые дают сигнал среднего уровня, — рассказывает Андрей Летягин. — Есть нерезонирующие структуры — воздух и богатые кальцием соединения, например, кости или камни (конкременты)».
При диагностике патологических новообразований (опухолей) пациенту внутривенно вводятся специальные контрастные вещества (например, содержащие гадолиний) для уточнения физиологических характеристик исследуемых объектов. Сначала делают нативные изображения, а после введения препарата получают изображения с «усиленным» контрастом. На разнице и строят диагноз.
Первый серийный томограф для медицины был выпущен в 1981 году германской фирмой Bruker Spectrospin. Первый за Уралом томографический прибор этой же фирмы — R28 — был установлен в 1986 году в Институте химической кинетики и горения СО АН СССР. Заработал он в 1987−м и используется до сих пор в Новосибирской городской клинической больнице скорой и неотложной помощи № 34. «Надежная, хорошая машина», — не скупится на эпитеты Андрей Летягин.
Сегодня в лаборатории медицинской диагностики Международного томографического центра стоит томограф S-50 фирмы Bruker, 1996 года выпуска, тоже «очень надежный и хороший». Кроме него есть томограф фирмы Phillips, изготовленный в 2005 году. «Сейчас Bruker перестал делать томографы для медицины, выпускает только научно-исследовательские аппараты — на четыре-восемь тесла (тесла — единица магнитной индукции — Ред.). Это очень мощные приборы. Первый томограф (R28) у нас был, например, на 0,28 тесла. S-50 — на 0,5 тесла. Сейчас «ходовые» томографы выпускаются на 1,5 тесла. Считается, что это оптимальный стандарт», — говорит Андрей Юрьевич.
Стоимость современного стандартного магнитно-резонансного томографа для медицины — от 1 млн долларов. Цены на технику для научно-исследовательских целей гораздо выше. Это штучные приборы, с очень мощными магнитами и высококачественной электроникой, которые собираются на заводах едва ли не вручную. «Как машины марки Jaguar или Rolls-Royce, — выбирает подходящее сравнение Андрей Летягин. — Такие приборы, даже десятилетней давности, запросто могут конкурировать с новым оборудованием». В России выпуск томографов фактически не налажен. «В Москве, Санкт-Петербурге и Нижнем Новгороде пытаются что-то делать, но о больших масштабах речь не идет», — сообщает Андрей Летягин, кроме медицинской томографии занимающийся еще и томографией экспериментальной.
Магнитно-резонансную томографию в лаборатории медицинской диагностики МТЦ используют для проведения исследований в области клинической анатомии. «Как раньше анатомию человека изучали? — начинает с преамбулы ученый. — Брали труп человека и разными способами его разрезали. Позже стали использовать препарирование или метод спилов — по Пирогову. Современные инновационные методы — это технология plastination: труп человека или его часть заливают эпоксидной смолой и начинают делать тонкие миллиметровые срезы, которые могут храниться десятилетиями, не теряя свойств. У нас — магнитно-резонансная томография. То есть мы послойно исследуем живого человека, виртуально разрезая его тело, но не нанося ему никакого вреда. Главная задача при исследовании — отделить норму от патологии, а чтобы изучать последнюю, нужно прежде всего знать норму. У нас очень много направлений — исследуем головной мозг, органы брюшной полости, грудной клетки, строение суставов, позвоночника, кровеносной системы. И не только на человеке, на животных также изучаем строение нормальных тканей и патологических изменений — опухолей, травм, воспалительных изменений, наблюдаем распространение экспериментальных контрастных препаратов».
У томографа глаза велики
В МТЦ успешно применяют магнитно-резонансные методы для решения целого ряда физико-химических и биофизических задач. В области микротомографии (magnetic resonance microimaging) новосибирские ученые — среди мировых лидеров. Первым в мире им удалось показать, что течение газов можно исследовать методом ядерно-магнитно-резонансной (ЯМР) томографии — точно так же, как и течение жидкостей. Они первыми провели исследование работающего каталитического реактора. Увидели, как происходит распределение жидкостей в реакторе непосредственно в ходе протекания химической реакции. Только после экспериментов в МТЦ подобными исследованиями занялась группа ученых из Кембриджа — едва ли не самая авторитетная группа в мире в области немедицинской томографии. Новосибирским ученым конкурировать с ней тяжело: микротомографией начали заниматься значительно позже, да и научно-исследовательская группа в МТЦ очень маленькая — всего семь человек, из которых три аспиранта и один студент. Тем не менее, по ряду направлений новосибирцы заметно опережают своих международных коллег.
В России никто больше микротомографией не занимается. По крайней мере, в столь заметных масштабах. «В мире довольно много исследований, но не у нас в стране, к сожалению. Причем интерес к микротомографии постоянно растет, — говорит руководитель группы ЯМР-микротомографии, ведущий научный сотрудник МТЦ СО РАН, доктор химических наук Игорь Коптюг. — Недавно вернулись с традиционной международной конференции, которая в этом году проходила в Германии. Там собираются ведущие специалисты со всего мира. Работы представляют самые разнообразные. Сейчас активно развиваются, например, такие приложения, как мобильные устройства. Одно из ограничений ЯМР-томографии в ее исходном виде в том, что образец надо помещать обязательно внутрь датчика. Понятно, что не всякий объект можно поместить внутрь, тем более небольшого датчика. Есть задачи, когда нужно исследовать процессы транспорта жидкостей в строительных материалах или процессы старения в картинах, статуях — то, что мы называем культурным наследием. Такие объекты нельзя просто взять и поместить внутрь датчика. Поэтому разрабатываются приборы, которые можно перемещать, переносить, перевозить и просто прикладывать к объекту исследования, чтобы посмотреть, что в нем происходит».
«Вообще, микротомография — это вещь условная. Считается, когда пространственное разрешение меньше миллиметра — это микротомография. Но обычно разрешение бывает порядка сотен, иногда десятков микрон, существуют работы, в которых получают разрешение даже до единиц микрон, — рассказывает о специфике технологии Игорь Валентинович. — В микротомографии на самом деле применяется тот же способ, что и в медицинской. В методическом плане это одно и то же. Но микротомография исследует объекты куда меньшего размера, чем человеческое тело, поэтому оборудование отличается — нам нужно гораздо меньше места для образца. Соответственно, можно достигать более высоких параметров, потому что в маленьком объеме гораздо проще реализовать оптимальные условия для получения изображения».
Посредством микротомографии исследуются самые разные объекты. Чаще всего — содержащие жидкости. «Поскольку медицинская ЯМР-томография построена на том, что человеческое тело по большей части состоит из воды и жиров, то и среди неживых объектов исследуются в основном те, которые содержат энное количество жидкости, в первую очередь воды. Но это необязательно. Все-таки спектр объектов и процессов, которые можно изучать в неживой природе, гораздо шире, — продолжает Игорь Коптюг. — Мы много сотрудничаем с Институтом катализа СО РАН, исследуем процессы, так или иначе имеющие отношение к катализу и химической технологии. Изучаем прежде всего пористые материалы, смотрим наличие, распределение и перемещение в них жидкостей. Исследуем транспорт жидкостей в пористых матрицах. Многие современные катализаторы представляют собой некую пористую матрицу, на которую нанесен собственно сам катализатор, то есть его активный компонент. Поэтому для катализа очень важно знать, как происходят процессы транспорта жидкостей в таких системах. Процесс приготовления катализаторов — вопрос, которым мы тоже занимаемся. Другой интересный круг задач — это исследование каталитических реакций и изучение непосредственно того, как работает каталитический реактор, какие процессы в нем протекают. Как я сказал, сигналы чаще всего получают по жидкой фазе. Однако нам удалось значительно продвинуть применение метода ЯМР-томографии в исследовании газов и твердых материалов».
У ЯМР-томографии при всех ее достоинствах есть одно принципиальное ограничение — очень низкая чувствительность. А чувствительность метода определяет практически все, в том числе пространственное разрешение получаемого изображения — крайне важный аспект в томографических исследованиях. Но, как оказалось, используя специальные каталитические реакции, можно в несколько тысяч раз увеличивать величину сигнала ЯМР. То есть получать изображение гораздо быстрее и с более высоким пространственным разрешением, что позволит существенно повысить качество ЯМР-томографии. На Западе уже сделаны первые работы в этом направлении. Ученые получают поляризованное вещество, которое затем вводят в кровеносные сосуды лабораторного животного. Буквально за доли секунды полная карта сосудов животного готова. Разумеется, данная тема сегодня популярна среди исследователей. Фундаментальная наука в который раз может сделать неоценимый вклад в развитие практической медицины.
Найти себе пару
Элементарные частицы — электроны, протоны, нейтроны — напоминают собой постоянно крутящиеся волчки. Собственный механический момент количества движений элементарной частицы или атомного ядра называется спином (от английского to spin — вращаться). Важнейшей характеристикой спина является магнитный момент. «В молекулах все электронные спины обычно спарены, они сидят на одной орбите. По принципу пары могут находиться электроны только с противоположно ориентированными спинами, — старается понятно объяснить заведующий группой теоретической и спиновой химии МТЦ СО РАН, доктор физико-математических наук Никита Лукзен. — Когда есть световое или радиационное воздействие, молекула ионизируется и образуется так называемый свободный радикал — частица с неспаренным спином. Естественно, она стремится скорее образовать пару. Свободные радикалы — чрезвычайно реакционноспособные частицы и обычно весьма короткоживущие: существуют сотни наносекунд — сотни миллиардов долей секунды. Методами спиновой химии можно изучать их структуру, то, как они исчезают и в каких реакциях участвуют».
|
|
|
|
Спиновая химия — еще одно важное и перспективное направление исследований МТЦ, а также Института органической химии и Института неорганической химии СО РАН. И для прикладной, и для фундаментальной науки спиновая химия представляет большой интерес. Сверхчувствительные методы исследований, созданные в рамках этого направления в современной химии, позволяют по-новому изучать фотохимические превращения и радиационные процессы, белковые реакции и фотосинтез.
В медицине спиновая химия тоже скажет свое веское слово. Исследования в области спиновой химии могут быть полезны для совершенствования ЯМР-томографии. Кроме короткоживущих существует класс стабильных радикалов, которые возможно использовать как контрастные вещества для ЯМР-томографии. Проблема в том, что эти соединения чаще всего ядовиты. Однако сейчас в МТЦ синтезированы нетоксичные стабильные радикалы, которые изучаются как возможные ЯМР-контрастные агенты.
В прошлом году группой теоретической и спиновой химии МТЦ совместно с Университетом Оденса (Дания) были проведены исследования с целью определить степень влияния сотовых телефонов на здоровье человека. Ученые исследовали влияние магнитной составляющей излучения телефонов на реакции в организме, протекающие с участием свободных радикалов. «Наши расчеты показали, что влияние переменной компоненты магнитного поля мобильных телефонов на ряд радикальных реакций, протекающих в организме, является пренебрежимо малым», — говорит Никита Лукзен.
Другое научное направление современной химии, успешно развиваемое в МТЦ, — дизайн молекулярных магнетиков. «С одной стороны, это магнетики, то есть они проявляют магнитные свойства. С другой стороны, состоят из молекул, которые в обычном смысле магнетиками не являются. Это очень интересная комбинация — органические вещества и магнетики», — удивляется парадоксальной природе новых магнитных материалов Никита Николаевич.
В отличие от классических магнитных материалов, молекулярные магнетики необычайно легкие. Могут быть оптически прозрачными и в видимой, и в инфракрасной областях спектра. Не требуют специальных изоляционных покрытий при контакте с электропроводящими устройствами, потому что являются диэлектриками. В конце концов, они совершенно нетоксичны и устойчивы к коррозии. Молекулярные магнетики называют материалами будущего и пророчат им большой успех в медицине, энергетике, информационных технологиях, приборостроении и многих других областях человеческой деятельности. В Международном томографическом центре уже сделали шаг в будущее — кристаллы молекулярных магнетиков со столь необычными свойствами здесь получены.
