Ученые разрабатывают новый подход для выявления злокачественного перерождения клеток с помощью магнитно-резонансной томографии. Суть метода заключается в обнаружении «усиленных» соединений фосфора, которые при введении в организм накапливаются в слишком активных раковых клетках. В будущем это удешевит раннюю диагностику целого ряда заболеваний, для которых характерно нарушение обмена фосфора, в том числе онкологических. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Результаты опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
Схема переноса гиперполяризации на фосфорсодержащую часть молекулы. Источник: © Валентин Новиков
Магнитно-резонансная томография (МРТ) — ключевой диагностический метод, который помогает обнаруживать злокачественные новообразования. Он основан на том, что ядра некоторых атомов обладают магнитными свойствами (имеют ненулевой спин) и под действием внешнего магнитного поля могут переходить между двумя неэквивалентными состояниями — это и улавливает прибор. Чем больше разница между количеством ядер в двух разных спиновых состояниях, тем больше энергии будет поглощаться, и это быстрее можно заметить. Но обычно эта разница очень мала и составляет сотые доли процента. В последнее время появились подходы, направленные на создание гиперполяризации — повышенной в сотни и тысячи раз разницы между количеством ядер в двух спиновых состояниях.
Чаще всего в качестве источника сигнала в МРТ выступают атомы водорода в составе обычной воды — в разных тканях нашего тела ее содержание различно, поэтому у каждого органа будет свой уровень сигнала. Опухоли на поздних стадиях легко обнаружить на фоне окружающих здоровых тканей, но в самом начале заболевания они слишком малы, чтобы их заметить.
Другой подход — следить не за количеством воды в клетках, а за концентрацией других соединений. Например, в раковых клетках сильно повышен уровень нескольких соединений фосфора — холина и его производных. Измерение их концентраций при помощи МРТ может позволить определить перерождение клеток в опухолевые даже на ранних стадиях. Тем не менее стандартное оборудование для МРТ не дает измерить концентрацию таких веществ в клетках, ведь она слишком мала.
Как показали в своей новой работе сотрудники Московского физико-технического института, Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН и Международного томографического центра Сибирского отделения РАН (Новосибирск), чувствительность метода МРТ для соединений фосфора можно повысить с помощью параводорода. Обычный водород состоит из смеси двух спиновых изомеров с идентичными химическими свойствами. Они различаются только магнитными свойствами: в ортоводороде спиновые магнитные моменты имеют одно направление, а в параводороде — два противоположных. Если газ охладить до низких температур в присутствии катализатора, можно получить практически чистый параводород. Само по себе это вещество не дает сигнала в спектроскопии ядерно-магнитного резонанса, но, если оно присоединяется к какому-либо другому соединению, уровень его сигнала возрастает в сотни и даже тысячи раз за счет эффекта гиперполяризации.
Так, ученые решили присоединить параводород к производному фосфорной кислоты, а затем перенести гиперполяризацию на фосфорсодержащую часть молекулы. После этого они хотели в результате взаимодействия с водой (гидролиза) отщепить чистый гиперполяризованный фосфат — остаток фосфорной кислоты, которой очень много во всех клетках нашего организма.
«Если такой раствор ввести в кровь непосредственно перед томографией, то можно будет увидеть многократно усиленные сигналы не только этого соединения, но и всех соединений фосфора, в которые он превратится в течение нескольких минут. Например, его аномально высокая концентрация в тканях может говорить о возможной патологии. В результате этот подход позволит снизить стоимость МРТ-диагностики», — рассказал Валентин Новиков, руководитель исследования, заведующий кафедрой химической физики функциональных материалов МФТИ.
Как отмечают ученые, предложенный подход достаточно дешев: обычно для получения таких гиперполяризованных молекул используют очень дорогие приборы, которые находятся в исследовательских лабораториях, а не в больницах. В перспективе для разработанного метода достаточно будет баллона с водородом и простой установки. Сейчас осталось проработать последнюю стадию реакции — отщепление неорганического фосфата, который и нужно вводить в организм. Пока что этот процесс протекает настолько медленно, что вся полученная гиперполяризация за это время исчезает.
