Изотопные лучи что это
Архивная публикация 2007 года: «Изотопная метка человека»
Мобильные телефоны изменили нашу жизнь. Ничто не изменило ее так, как они. Даже Интернет не может сравниться с ними по уровню проникновения в самые разные слои населения на одной седьмой части суши.Какое количество жизненных коллизий связано в прошлом с телефонной связью, с будками, с двушками, с невозможностью дозвониться! Сколько фильмов не было бы снято сегодня, потому что нет больше базовой интриги! Галич не написал бы «Вас вызывает Таймыр», где все вертится вокруг междугородной связи, телефонистки и часов ожидания. В «Операции «Ы» Шурик не бегал бы звонить о «проклятых расхитителях социалистической собственности» в автомат через два квартала. И не было бы чудесного фильма «Каждый вечер в одиннадцать» с Михаилом Ножкиным и Маргаритой Володиной. Да и Костик из «Покровских ворот» «разводил» бы девушек по другому сценарию.
Любопытно также, что когда отсутствие телефонной связи выглядело причиной несчастья и неудачи, то возникала мысль, что, будь возможность дозвониться, все пошло бы по-другому. Сейчас все могут дозвониться друг до друга с детства, минуя родителей, обменяться SMS, но проблем у людей меньше не стало. Счастливых не прибавилось. Из чего следует, что счастье лежит в иной плоскости, к которой технологические новации отношения не имеют. Природа счастья — в душах людей, как и в Древней Греции…
Но мобильные телефоны дают возможность окружающим получать информацию об их обладателях, не вступая в контакт. Телефоны, как изотопы, метят людей.
Рингтоны, как рентген, высвечивают то, что человек скрывал всю жизнь. Заливистые оригинальные трели звонков от «Смело мы в бой пойдем» до «Серенады» Шуберта тренькают дольше необходимого, потому что доставляют наслаждение хозяевам. Подсказывают нам, что от этих людей следует держаться подальше: их концептуальный месседж почти как вызов, и позиция — без идеологических и эстетических компромиссов.
В парижском «Рице» чудесная, светлая комната для завтраков с чудесным видом во двор. Столиков немного, шесть-семь из них занимают россияне. У каждого на белой скатерти по паре мобильников. Из-за разницы во времени, когда в Москве — разгар рабочего дня, телефоны звонят беспрерывно. Соотечественники никогда не устанавливают режим звонка на «без звука». Разговаривают громко, иногда матерятся, дают категоричные указания типа «купить-продать», сыплют цифрами. Завтракать невозможно. Тишины нет. Звонки и треп, громкий и глупый. Противно. Выпиваю стакан сока и ухожу в ближайшее бистро завтракать демократично, без услуг официантов в смокингах.
Но это вроде новые русские. Чего с них взять…
Прошедшая неделя была тяжелой. Два дня подряд провожал в последний путь близких друзей. Из академического сообщества. Прощание, торжественное и грустное. Распорядитель перед началом гражданской панихиды предупреждает всех о необходимости отключить мобильные телефоны. Говорят пронзительные прощальные слова. Ком в горле, слезы. И вдруг громко звонит чей-то мобильный. Всем неудобно. Телефон звонит долго, заглушая слова выступающего. А через минуту звонит еще у кого-то. А потом еще и еще. И так десять раз.
Я смотрю на этих людей и не понимаю, как с ними можно иметь дело. Во-первых, они не отключили телефоны сами, исходя из собственного понимания. Во-вторых, не отключили их, когда к ним обратился с отчетливой просьбой распорядитель. В-третьих, они не подумали о собственном телефоне, когда раздался звонок у соседа… В-десятых, они не отключили их, когда звонил телефон у восьмого человека в гробовой тишине.
Что это за люди такие, бесчувственные и бездумные? Профессора и министры. Значит ли это, что они и во всех своих поступках такие же надменные и поверхностные? Мобильный телефон пометил их изотопно, как фальшивую валюту, от которой надо держаться подальше. И не новые русские, а вполне даже старые. Стало быть, ни образование, ни воспитание тут ни при чем. А что при чем?
Видимо, то, что и лежит в основе тайны под названием «человек».
Примером использования изотопного мечения является исследование фенола (C 6 H 5 OH) в воде путем замены обычного водорода ( протия ) дейтерием ( мечение дейтерием ). При добавлении фенола к дейтерированной воде (вода, содержащая D 2 O в дополнение к обычной H 2 O), в гидроксильной группе фенола наблюдается замещение дейтерия на водород (что приводит к C 6 H 5 OD), что указывает на то, что фенол легко подвергается реакции водородообмена с водой. Затрагивается только гидроксильная группа, что указывает на то, что другие 5 атомов водорода не участвуют в реакциях обмена.
СОДЕРЖАНИЕ
Изотопный индикатор
Маркировка стабильных изотопов
Анализ метаболического потока с использованием метки стабильных изотопов
Методы измерения изотопной маркировки
Протонный ЯМР был первым методом, использованным в экспериментах по мечению 13 C. Используя этот метод, каждое отдельное положение протонированного углерода внутри определенного пула метаболитов можно наблюдать отдельно от других положений. Это позволяет узнать процентное соотношение изотопомеров, меченных в этом конкретном положении. Предел протонного ЯМР состоит в том, что если в метаболите n атомов углерода, может быть не более n различных значений позиционного обогащения, что составляет лишь небольшую часть общей информации об изотопомерах. Хотя использование протонного ЯМР-мечения ограничено, эксперименты с чистым протонным ЯМР намного легче оценить, чем эксперименты с большим количеством информации об изотопомерах.
В дополнение к протонному ЯМР использование методов 13 C ЯМР позволит получить более подробное представление о распределении изотопомеров. Меченый атом углерода будет производить различные сигналы сверхтонкого расщепления в зависимости от состояния метки его прямых соседей в молекуле. Если соседние атомы углерода не помечены, появляется синглетный пик. Дублетный пик появляется, если помечен только один соседний атом углерода. Размер дублетного расщепления зависит от функциональной группы соседнего атома углерода. Если помечены два соседних атома углерода, дублет дублетов может выродиться в триплет, если расщепления дублетов равны.
Недостатками использования методов ЯМР для анализа метаболических потоков является то, что он отличается от других приложений ЯМР, поскольку это довольно специализированная дисциплина. ЯМР-спектрометр может быть доступен не всем исследовательским группам. Оптимизация параметров измерения ЯМР и надлежащий анализ структуры пиков требует наличия квалифицированного специалиста по ЯМР. Для некоторых метаболитов также могут потребоваться специальные процедуры измерения для получения дополнительных данных по изотопомеру. Кроме того, необходимы специально адаптированные программные инструменты для определения точного количества площадей пиков, а также для определения разложения запутанных синглетных, дублетных и триплетных пиков.
В газовой хроматографии-масс-спектрометрии ( ГХ-МС ) МС соединяют с газовым хроматографом для разделения соединений гидролизата. Затем соединения, элюирующие из колонки для ГХ, ионизируются и одновременно фрагментируются. Преимущество использования ГХ-МС заключается в том, что измеряются не только массовые изотопомеры молекулярного иона, но также массовый спектр изотопомеров нескольких фрагментов, что значительно увеличивает измеряемую информацию.
В жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии ( ЖХ-МС ) ГХ заменяется жидкостным хроматографом. Основное отличие состоит в том, что химическая дериватизация не требуется. Однако применения ЖХ-МС к MFA редки.
В каждом случае приборы MS делят конкретное распределение изотопомера по его молекулярной массе. Все изотопомеры конкретного метаболита, содержащие одинаковое количество меченых атомов углерода, собираются в один пиковый сигнал. Поскольку каждый изотопомер вносит вклад в ровно один пик в спектре МС, процентное значение затем может быть вычислено для каждого пика, давая массовую долю изотопомера. Для метаболита с n атомами углерода производится n + 1 измерение. После нормализации остается ровно n информативных массовых количеств изотопомеров.
Кроме того, наблюдаемые сильные изотопные эффекты влияют на время удерживания изотопомеров, меченных по-разному, в колонке для ГХ. Также необходимо предотвратить перегрузку колонки ГХ.
Наконец, естественное изобилие других атомов, помимо углерода, также приводит к нарушению массового спектра изотопомеров. Например, каждый атом кислорода в молекуле может также присутствовать как изотоп 17 O и как изотоп 18 O. Более значительным влиянием естественного изотопов изотопов является влияние кремния с естественным содержанием изотопов 29 Si и 30 Si. Si используется в дериватизирующих агентах для методов МС.
Приложения в исследованиях минерального питания человека
Изучаемые аспекты минерального питания / метаболизма включают всасывание (из желудочно-кишечного тракта в организм), распределение, хранение, выведение и кинетику этих процессов. Изотопные индикаторы вводятся субъектам перорально (с пищей или без нее или с минеральной добавкой) и / или внутривенно. Затем измеряется содержание изотопов в плазме крови, эритроцитах, моче и / или кале. Обогащение также измерялось в грудном молоке и содержимом кишечника. Дизайн экспериментов с индикаторами иногда отличается для разных минералов из-за различий в их метаболизме. Например, абсорбция железа обычно определяется по включению индикатора в эритроциты, тогда как абсорбция цинка или кальция измеряется по появлению индикатора в плазме, моче или кале. Введение нескольких изотопных индикаторов в одном исследовании является обычным делом, что позволяет использовать более надежные методы измерения и одновременное исследование нескольких аспектов метаболизма.
В связи с распространением дефицита полезных ископаемых и их критическим воздействием на здоровье и благополучие людей в странах с ограниченными ресурсами Международное агентство по атомной энергии недавно опубликовало подробные и всеобъемлющие описания методов стабильных изотопов, чтобы облегчить распространение этих знаний среди исследователей за пределами страны. западные академические центры.
Радиоизотопная маркировка
Строго говоря, радиоизотопная маркировка включает только те случаи, когда радиоактивность искусственно вводится экспериментаторами, но некоторые природные явления позволяют проводить аналогичный анализ. В частности, радиометрическое датирование использует тесно связанный принцип.
Приложения в протеомике
Приложения для анализа экосистемных процессов
Приложения для океанографии
Трассеры также широко используются в океанографии для изучения широкого круга процессов. Используемые изотопы обычно встречаются в природе с хорошо установленными источниками и скоростями образования и распада. Однако антропогенные изотопы также могут использоваться с большим успехом. Исследователи измеряют изотопные отношения в разных местах и в разное время, чтобы получить информацию о физических процессах в океане.
Перенос частиц
Океан представляет собой разветвленную сеть переноса частиц. Изотопы тория могут помочь исследователям расшифровать вертикальное и горизонтальное движение вещества. 234 Th имеет постоянную четко определенную скорость производства в океане и период полураспада 24 дня. Было показано, что этот встречающийся в природе изотоп изменяется линейно с глубиной. Следовательно, любые изменения этой линейной картины можно объяснить переносом 234 Th на частицах. Например, низкие отношения изотопов в поверхностных водах с очень высокими значениями на несколько метров ниже будут указывать на вертикальный поток в нисходящем направлении. Кроме того, изотоп тория можно проследить на определенной глубине, чтобы расшифровать боковой перенос частиц.
Тираж
Циркуляция в местных системах, таких как заливы, устья и подземные воды, может быть исследована с помощью изотопов радия. 223 Ra имеет период полураспада 11 дней и может естественным образом встречаться в определенных местах в реках и источниках подземных вод. Изотопное соотношение радия затем будет уменьшаться по мере того, как вода из исходной реки входит в залив или эстуарий. Измеряя количество 223 Ra в нескольких различных местах, можно расшифровать картину циркуляции. Тот же самый процесс можно использовать для изучения движения и разгрузки грунтовых вод.
Для изучения циркуляции в глобальном масштабе можно использовать различные изотопы свинца. Разные океаны (например, Атлантический, Тихий, Индийский и т. Д.) Имеют разные изотопные сигнатуры. Это происходит из-за различий в изотопных соотношениях отложений и горных пород в разных океанах. Поскольку разные изотопы свинца имеют период полураспада 50–200 лет, не хватает времени для гомогенизации изотопных соотношений во всем океане. Таким образом, точный анализ изотопных соотношений Pb может быть использован для изучения циркуляции различных океанов.
Тектонические процессы и изменение климата
Изотопы с чрезвычайно длительным периодом полураспада и продукты их распада могут быть использованы для изучения многомиллионных летних процессов, таких как тектоника и экстремальное изменение климата. Например, при датировании рубидий-стронций изотопное отношение стронция ( 87 Sr / 86 Sr) может быть проанализировано в ледяных кернах для изучения изменений на протяжении всей жизни Земли. Различия в этом соотношении в ледяном керне указывают на значительные изменения в геохимии Земли.
Изотопы, связанные с ядерным оружием
Диагностика — простая, как дыхание (стабильные изотопы на службе здоровья)
Диагностика — простая, как дыхание (стабильные изотопы на службе здоровья)
Применение 13 С-препаратов для медицинских дыхательных тестов. Метаболизм этих препаратов с образованием 13 СО2 в определенных органах и тканях обусловливает высокую специфичность 13 С-изотопной дыхательной диагностики. Цветом выделены первые отечественные 13 С-препараты (сейчас их около 20 [5]).
Автор
Редакторы
Статья на конкурс «био/мол/текст»: «Не навреди» — древний основополагающий принцип медицины. Дыхательные диагностические тесты заболеваний полностью ему удовлетворяют, в отличие от зондирования, биопсии и подобных методов. А использование тест-препаратов со стабильным изотопом углерода 13 С исключает и возможность радиоактивного облучения (не только пациентов, но и персонала). Выпил раствор 13 С-препарата и по содержанию 13 СО2 в выдыхаемом воздухе определил состояние того или иного органа — просто, точно и безопасно. Но еще более широкие возможности открывают новейшие 13 С-магниторезонансные методы, которые позволяют получать высококачественные снимки опухолей, сосудов. и даже контролировать метаболические процессы, а значит, и наше здоровье без использования рентгеновских, радиоизотопных и прочих дорогих, сложных и небезопасных методов диагностики.
Конкурс «био/мол/текст»-2013
Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2013 в номинации «Своя работа».
Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.
Стабильно-изотопные дыхательные тесты
Рисунок 1. Изотопный состав человека.
«Хотите узнать о своем здоровье? Выдохните в пробирку!» — так вам скоро скажет доктор, определяющий состояние вашего желудка, кишечника, печени, селезенки и многих других важнейших органов и систем организма. «Как же это — так просто?» — удивитесь вы. Да, и в скором времени вполне реально.
Есть такие способы диагностики самых разных заболеваний, при которых не надо глотать «кишку» (точнее — зонд), облучаться вредными лучами, отдавать драгоценную кровь (или другие жидкости) и надолго ложиться в больницу. Все просто, не больно, достаточно быстро и абсолютно безопасно.
Речь идет о медицинских дыхательных тестах. К примеру, в кабинете гастроэнтеролога вам дают выпить раствор препарата в соке и через 20 минут просят выдохнуть в пробирку. Все, больше от вас ничего не потребуется. Доктор тут же присоединит эту пробирку к прибору и сообщит результат: опаснейшая бактерия H. pylori у вас отсутствует.
Что же это за чудодейственный препарат? А это всем известная мочевина; правда, не совсем обычная. Вместо распространенного углерода 12 С ее молекула содержит изотоп 13 С, которого в природе немного — чуть больше 1%, но он есть везде, и в теле человека его около 200 граммов (рис. 1). Это так называемый стабильный изотоп углерода, который не распадается, ничего не излучает и отличается от «обычного» атома 12 С только тем, что он чуть тяжелее — на один нейтрон.
Вот такая диагностика. И никаких зондов (а дети с ними как мучаются. ). Но кроме перечисленных достоинств, эти методы обладают высочайшей точностью (до 100%) и специфичностью (т.е., поставленный диагноз будет однозначен). Именно благодаря этим достоинствам можно получить массу информации, например: как работает желудок (перистальтика), поджелудочная железа (хорошо ли усваиваются жиры), здорова ли печень (циррозы, гепатиты) и т.д. Можно даже определить угрозу появления опухолей (!) — достаточно вспомнить, что H. pylori может вызывать рак желудка (открытие этой бактерии и ее роли в возникновении болезней ЖКТ в 2005 г. было удостоено Нобелевской премии [1]). Нужно только иметь вполне определенные 13 С-препараты (т.н. биомаркеры).
Рисунок 2. Уреазный дыхательный тест
Как же обстоят дела в практической медицине? В цивилизованных странах такая диагностика применяется уже почти 20 лет и давно стала рутинной и массовой процедурой [2], [3]: только в США за год проводится 5–7 млн. 13 С-дыхательных тестов. Врачи применяют все новые и новые 13 С-биомаркеры, а исследователи расширяют список доступных препаратов.
В последние годы у нас в стране эти методы тоже получили развитие. Благодаря усилиям московских ученых и специалистов, такая диагностика разработана, и во много раз дешевле, чем «у них» — ведь она полностью основана на собственных, российских разработках, а также на нашем изотопном сырье, которого мы производим больше всех в мире. Участие в работе таких всемирно известных медицинских центров, как Российский Онкологический Научный Центр, НИИ Онкологии, ЦНИИ Гастроэнтерологии, институт им. Н.В. Склифосовского (НИИ Скорой Помощи) и даже ИМБП (ранее называвшийся Институтом Космической Медицины), обеспечило также создание принципиально новых методов диагностики опаснейших болезней (рак, язва, гастрит, цирроз). Осталось только официально зарегистрировать эти препараты.
Давайте более внимательно посмотрим на новые достижения российской науки.
Рисунок 3. Принцип фармакокинетического анализа
Специалистам хорошо знаком мощный метод изучения лекарственных препаратов — «фармакокинетика». Тут нет ничего сложного: применительно к нашей теме, это наблюдение за изменением во времени содержания 13 СО2 в выдохе пациента после приема 13 С-препарата. И именно этот метод современной диагностики позволяет судить не просто о наличии или отсутствии заболевания, но и о его степени (насколько оно «запущено»). Это тем более важно, что выявление болезней на ранней стадии часто является единственным условием излечения (таков, например, рак). Фармакокинетика позволяет с математической точностью определить стадию заболевания, характеристики больного органа, а значит, и указать правильный путь лечащему врачу или хирургу.
Вот, например, препарат метацетин, содержащий изотоп 13 С (т.е. меченый метацетин). Он интересен тем, что разрушается печенью с выделением того же 13 СО2:
И оказалось, что фармакокинетические зависимости (как говорят, «кривые») 13 С-метацетина позволяют с высокой точностью определить параметры печени, оценить степень ее детоксикационной активности (выведения токсинов) и даже массу, что чрезвычайно важно в послеоперационный период при частичном удалении этого жизненно необходимого органа. Математические модели, разработанные нашими учеными, позволяют различать все степени циррозов (а их четыре), гепатита, других заболеваний. По меткому выражению одного из специалистов ИМБП — «Раньше печень была черным ящиком, а теперь с помощью 13 С-дыхательного теста мы не только диагностируем заболевание, но и видим, как работают ее ферментные системы». Не правда ли, здесь комментарии излишни? И все это возможно без использования сложного, громоздкого и дорогостоящего оборудования.
Кстати, об оборудовании. Сейчас стали весьма известны медицинские томографы (МРТ), в том числе, вследствие их немалой цены. Так вот, для 13 С-дыхательных тестов такие приборы не нужны, не нужны и соответствующие помещения, и меры защиты (там ведь магнитные поля). Нужен всего лишь стол, на котором стоит небольшой анализатор — инфракрасный или масс-спектрометрический. А в состав тест-набора входит трубочка и две пробирки (или мешочка) для выдыхаемого воздуха (рис. 4). И все.
Рисунок 4. 13 С-Диагностика методом дыхательных тестов (прибор — см. [4]).
В основном применяются ИК-анализаторы (IRIS-2, UBiT IR-300, HeliFAN, POCone, The Oridion BreathIDR) [3] и масс-спектрометры (HeliView, IsoPrime), а также опттогальванический спектрофотометр LARA. Тест-наборы включают: емкость с 13 С-мочевиной; пробирки, уплотненные мягкой пластиковой пробкой (или герметизируемые пакетики); трубочку для выдыхаемого воздуха (рис. 4); и инструкцию по применению препарата. Чувствительность современных изотопных масс-спектрометров позволяет определять 1000 молекул СО2 в пробе анализируемого газа, т.е. величину порядка 10 –17 % об. при анализе 1 мл газа (выдыхаемый воздух содержит
Кроме уже упомянутых 13 С-мочевины и 13 С-метацетина, давайте посмотрим на далеко не полный список диагностических 13 С-препаратов, появившихся (но пока не зарегистрированных) в нашей стране в результате проведенных работ (кстати, эти работы проводились в 2007–2012 годах; впервые в России [5] ). Вот препараты с одной меткой 13 С: октаноат натрия и 1- 13 С-каприловая кислота применяются для диагностики перистальтики желудка и синтеза других 13 С-препаратов; бикарбонат натрия — для определения кислотности в желудке, выявления опухолей, гиперкапнии (легочное заболевание, вызываемое повышением уровня углекислого газа в крови), изучения энергетического обмена в организме и назначения диет питания; тимидин и глюкоза — для диагностики опухолей (индикаторы роста раковых клеток); формиат натрия — для диагностики функции печени (рис. 5).
Работы выполнялись на основании многолетней научно-технической программы Правительства Москвы по теме «Новые методы и технологии ранней диагностики онкологических и других опасных заболеваний» под руководством Научного и клинического центра «Интермедбиофизхим». Работы были инициированы специалистами научно-технической компании «Ростхим», являвшейся головной организацией по разработке методов синтеза 13 С-продуктов для стабильно-изотопной диагностики и иных областей [5]. В работах принимали участие 16 научных организаций Москвы, включая институты РАН, РАМН, вузы и ГНЦ.
Рисунок 5. Примеры 13 С-изотопных дыхательных тестов, разработанных в России. Впервые разработан тест на степень обсемененности H. pylori и определены математические параметры 13 С-метацетинового теста.
С помощью 13 С-глюкозы можно также легко диагностировать диабет: у этих пациентов глюкоза не разлагается, и 13 СО2 не выделяется. Но если биомаркер содержит две или более меток 13 С, чувствительность определения будет выше; это характерно для 13 С3-триоктаноина (с тремя атомами 13 С), применяемого для диагностики усвояемости жиров поджелудочной железой. Кроме того, «полимеченые» 13 С-препараты используют не только для дыхательных тестов. И здесь мы подошли к очень интересной, совершенно новой тематике, открывающей далекие горизонты в изучении живых организмов и, конечно, в диагностике опаснейших заболеваний, которые не дают покоя человечеству и все еще уносят множество жизней: различные виды рака, болезни Альцгеймера, Канавана, заболевания кровеносных сосудов, эндокринной и других систем.
13 С-Магниторезонансная диагностика
Давно известно, что в живых организмах постоянно происходит обмен веществ — то, что на языке специалистов называется общим термином «метаболизм», который определяет концентрации участвующих в нем метаболитов. В здоровом теле (как и в его клетках) — одни значения концентраций, но если клетки трансформируются, и начинается рост опухоли, или возникают другие недуги, уровни метаболитов существенно изменяются. Однако обнаружить эти изменения весьма и весьма непросто, поскольку организм — сложнейшая биохимическая система и содержит огромное число самых разнообразных веществ, которые, к тому же, нужно еще суметь проанализировать (вспомните хотя бы, сколько стоит биохимический анализ крови).
Но выход был найден с помощью того же изотопа 13 С. Физикам и химикам уже давно известно, что ядро этого изотопа — миниатюрный магнитик (т.е. оно имеет магнитный момент), который будет сразу обнаружен, если его внести в магнитное поле (как стрелка компаса в поле Земли). Это свойство веществ, меченных изотопом 13 С, давно используется в науке для определения их строения, превращений и для решения многих других полезных задач (метод 13 С-ЯМР). Поэтому ясно, что если «пометить» наши метаболиты изотопом 13 С, их можно будет не только «засечь», но и определить концентрации, — что и необходимо для диагностики [6]. Но как это сделать, не причинив вреда пациенту? Очень просто: нужно ввести в его организм какой-либо «естественный» 13 С-биомаркер, принимающий участие в обмене веществ — например, 13 С-глюкозу. Тогда вскоре, в результате обмена, метка 13 С перераспределится между другими метаболитами (рис. 6), и мы сможем измерить их содержание с помощью хроматомасс-спектрометрии или уже известных томографов.
Рисунок 6. Различие метаболизма 1,2- 13 С2-D-глюкозы в здоровой и опухолевой клетках. Красноватые цвета — усиленный метаболизм, темные — ослабленный или отсутствующий.
Да, в данном случае без томографов не обойтись. Но это гораздо дешевле и безопаснее, чем использовать, например, метод ПЭТ (позитронно-эмиссионную томографию), в котором применяются радиоактивные вещества, необходимы синхротроны (занимают целое помещение) и часто имеются жесткие ограничения по времени, поскольку радиофармпрепараты быстро распадаются и теряют свою активность.
Один из самых уважаемых в мире журналов — Science — в мае 2012 г. опубликовал данные о скорости процессов поглощения и выделения 111 различных метаболитов для 60 видов опухолей [7] (рис. 7). Проанализировав этот большой материал, специалисты установили, каким видам опухолей соответствуют те или иные соотношения метаболитов. Появились даже так называемые «карты метаболитов» (или SIDMAP — Stable Isotope-based Dynamic Metabolic Profiling) [6]. Например, скорости выделения аденозина клетками с меланомой (рак кожи и слизистых) на порядок выше, чем у клеток с лейкемией (рак крови); а для другого метаболита — орнитина — эта скорость в сотни раз больше, чем у аденозина для всех видов опухолей.
Рисунок 7. Относительные скорости поглощения и выделения 111 метаболитов для 60 типов культур раковых клеток (consumption and release — CORE profiling).
При раке легких в пораженных клетках, в отличие от здоровых, наблюдаются очень высокие концентрации молочной и янтарной кислот, а также глутаминовой и некоторых других аминокислот, тогда как концентрации глюкозы понижены (рис. 8) [8]. Установлены «характеристические» значения уровней метаболитов для рака груди, мозга, печени, толстой кишки, яичников, простаты. Многие из этих результатов получены именно с помощью спектроскопии магнитного резонанса на ядрах 13 С ( 13 С-ЯМР), которые оказались весьма информативны для диагностики заболеваний на основе анализа состава 13 С-метаболитов.
Рисунок 8. Высокий уровень 13 С-метаболитов в клетках с раком легких по сравнению с их уровнем в здоровых клетках (результаты 13 С-ЯМР анализа экстракта клеток [8]).
Эти работы открывают большие перспективы для диагностики опухолей 13 С-магниторезонансным методом. Уже опубликованы результаты клинического применения такой диагностики. Так, записывая сигналы 13 С-ЯМР 13 С-креатина и 13 С-холина после введения пациенту 13 С-глюкозы, удалось получить четкое изображение опухоли мозга (глиобластомы) на обычной томограмме, где эта опухоль не видна (рис. 9а) [9]. Но такие работы пока еще редкость: значительно больше исследований выполняется на животных (крысы, мыши, собаки) (рис. 9б) [10]. Специальная математическая обработка сигналов 13 С-ЯМР меченых метаболитов позволяет получать цветные изображения опухолей, что значительно облегчит работу врача.
Рисунок 9. Визуализация опухолей методом 13 С-ЯМР с использованием 13 С-биомаркеров. Верхний ряд: (А) обследованная область МРТ-снимка мозга; (B) совокупность (7×7) сигналов 13 С-ЯМР-спектров 13 С-метаболитов Cr, Cho и NAA в обследованной области; (C) изображение опухоли в результате математической обработки спектров. Нижний ряд: изображение лимфомы, привитой мыши (область опухоли обведена контуром); опухоль повышает кислотность среды и может быть обнаружена реакцией с NaH 13 CO3.
В настоящее время конструируются датчики для обследования человека — например, в форме подголовника для исследования мозга (рис. 10) [11], изучаются режимы записи резонансных сигналов, разрабатываются методики введения 13 С-препаратов — как внутривенно, так и путем обычного приема внутрь в виде таблетки, раствора и т.п. Добавим, что для записи спектров 13 С-ЯМР используют обычные серийные томографы. И недалеко время, когда мы сможем «увидеть» в организме то, что не под силу обычному МРТ, не прибегая к рентгеновским лучам, радиоактивности или иным «сильным» (а порой и разрушительным) воздействиям.
Рисунок 10. 13 С-Магниторезонансная диагностика: (А) катушка-подголовник для исследования мозга; (Б) введение 1- 13 С-D-глюкозы выявляет метаболиты в мозговой ткани: широкополосное возбуждение позволяет детектировать метаболиты, обогащенные изотопом 13 С (кроме глюкозы — бикарбонат, глутамат, глутамин, аспартат), которые ранее в мозге человека не обнаруживали; всего обнаружено более 20 метаболитов с помощью клинического томографа 1,5 Т.
Но в основе этих новейших спасительных методов, о которых мы рассказали, лежат вещества с изотопом 13 С, без которых такая диагностика невозможна. Россия обладает уникальными возможностями: крупнейшим в мире производством изотопов, готовыми к внедрению процессами получения 13 С-продуктов и приборами для медицинской диагностики, новейшими методиками проведения 13 С-изотопных дыхательных тестов. Нужно использовать это богатство. Иначе все эти услуги придется покупать, а последствия нам хорошо известны.
И в заключение — еще два интересных момента.
Уже более десяти лет публикуются работы о грандиозном увеличении чувствительности 13 С-магниторезонансной диагностики, если использовать так называемую процедуру гиперполяризации магнитных моментов ядер 13 С. Не вдаваясь в подробности, отметим только, что при этом значительно возрастает доля ядер 13 С, ориентирующих свою «стрелку» вдоль магнитного поля, что приводит к увеличению интенсивности сигнала в 10 000–100 000 раз! (рис. 11) [12]. А в этом случае можно получать уже не только спектры, чтобы потом накладывать их на снимки МРТ, а столь же качественные снимки внутренних органов, порой даже превосходящие по качеству обычные снимки МРТ (рис. 11) [13]. Метод активно развивается (за рубежом), при этом даже используются современные российские устройства, в частности, СВЧ-генератор ELVA-1 из Санкт-Петербурга [14].
Рисунок 11. 13 С-Магниторезонансная томография ( 13 С-МРТ) с помощью гиперполяризации (ГП) магнитного момента ядер 13 С. А — Принцип ГП методом динамической поляризации ядер. Б — 13 С-МРТ снимки инфузии ГП- 13 С-гидроксиэтилакрилата по катетеру, введенному в почечную артерию свиньи (слева) и кровеносная система мыши после внутривенного введения ГП- 13 С-мочевины (справа).
Наконец, необходимо сказать и о том, что не только медикам нужны препараты с изотопом 13 С. Их широко используют в криминалистике, судебно-медицинской экспертизе, космической медицине, антидопинговом контроле, экологии, геологии, геофизике, изучении биосинтеза, при защите патентных прав на химические технологии, в изучении механизмов химических реакций, процессов эволюции живых организмов и других научных исследованиях, в производстве стандартных образцов — везде, где необходимы маркеры и можно отказаться от опасных радиоактивных изотопов. Все это стало возможным благодаря новейшим достижениям методов изотопного анализа и органического синтеза. При этом вслед за 13 С обязательно придет очередь других стабильных изотопов (см. подзаголовок статьи) — 10 B, 11 B, 28 Si, 33 S, обладающих другими ценными свойствами. Однако суть этих методов — темы отдельных статей.