ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ (NMR) ΤΣΟΛΕΡΙΔΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ

Transcript

1 ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ (NMR) ΤΣΟΛΕΡΙΔΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ 1

2 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ NMR ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ - ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΜΕ NMR (IMAGING) 15.1 Πρόσφατες Εφαρμογές της Φασματοσκοπίας NMR Τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξη της φασματοσκοπίας ΝΜR έδωσε νέα ώθηση στην έρευνα σε πολλούς τομείς, όπως πχ. των πολυμερών (συνθετικών ή φυσικών πολυμε-ρών, των βιοπολυμερών), στην μελέτη της δράσης των βιοπολυμερών στις μεμβράνες κλπ.. Επίσης γίνονται μελέτες για την επίδραση διαφόρων κατιόντων π.χ. Ca+2, Mg+2, Zn+2, Fe+2, Li+, Cu+2 κλπ. στη διαμόρφωση διαφόρων ενώσεων βιολογικού ενδιαφέροντος (πρωτεινών, πορφυρινών, ολιγοπεπτιδίων κλπ. αλλά και φαρμάκων) με τη χρήση 1D- και 2D-NMR 1H, 13C, 15N, 31P, 2H. Επίσης πρόσφατα αναπτύχθηκαν και αναπτύσσονται συνεχώς πολλές καινούργιες τεχνικές 2D-NMR, που δίνουν νέες πληροφορίες ή καλυ-τερεύουν τα φάσματα και τα αποτελέσματα παλιότερων τεχνικών. ΗφασματοσκοπίαNMR μαγνητικών πυρήνων διαφόρων μετάλλων, όπως π.χ. του Pt χρησιμοποιείται πρόσφατα μαζί με τις προηγούμενες τεχνικές για τη μελέτη αλλη-λεπίδρασης αντικαρκινι-κών φαρμάκων του Pt με ολιγονουκλεοτίδια και κατ' επέκταση με το DNA. 2

3 15.2 Το Πρόβλημα της Αξιοπιστίας της Αξονικής Τομογραφίας Υπάρχει γενικά μια δυσπιστία για τα αποτελέσματα της ακτινοδιαγνωστικής των ακτίνων Χ, αφού αυτά παρουσιάζουν μόνο σκιές. Ειδικά για τη διάγνωση του καρκίνου στα πρώτα του στάδια είναι πάρα πολύ δύσκολη. Και όμως πολλές μορφές του όταν διαγνωστούν έγκαιρα μπορούν με την κατάλληλη αγωγή να θεραπευτούν. Οι "σκιές" που προαναφέραμε αποτελούν ενδείξεις και όχι αποδείξεις ύπαρξης του όγκου. Οι ασθενείς θα υποβληθούν και σε άλλες εξετάσεις με υπερηχογράφο και τελικά οι περιπτώσεις που επιλέγονται σαν πιθανότερες περιπτώσεις όγκου ακολουθούν το πιο επώδυνο στάδιο της βιοψίας. Από τα προηγούμενα φαίνεται πως η πλήρης και βέβαιη διάγνωση του καρκίνου απαιτεί πολύ χρόνο, κόπο, έξοδα και ταλαιπωρία ψυχική και σωματική του ασθενούς και του αμέσου οικογενειακού του περιβάλλοντος. Τώρα όμως υπάρχει η λύση και είναι η πρόσφατη εφαρμογή της φασματοσκοπίας NMR στην ιατρική διάγνωση, το "NMR Imaging ή MRI", δηλ. η απεικόνιση με το NMR. Σαν τεχνική μοιάζει με την αξονική τομογραφία με ακτίνες Χ αλλά αντί για ακτίνες Χ χρησιμοποιείται το ασφαλέστερο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Υπολογίζεται ότι η σχέση της ακτινοβολούμενης ενέργειας που παίρνει ένας ασθενής με τις δυο μεθόδους εξέτασης είναι περίπου 109/1. Στα πλεονεκτήματα της μεθόδου μπορούμε να προσθέσουμε τις καθαρές και αξιόπιστες εικόνες για την εσωτερική κατάσταση διαφόρων ανθρώπινων οργάνων (εγκέφαλος, νεφρά, καρδιά, συκώτι κ.λ.π. χωρίς να γίνεται καμιά χειρουργική τομή. Ετσι αποφεύγονται πολ-λές χειρουργικές επεμβάσεις με πιθανά αλλά όχι βέβαια ευρήματα με όλα τα επακόλουθα. 3

4 15.3 Αρχή της Δημιουργίας της Απεικόνισης ΝΜR (ΜRΙ) Η αρχή της δημιουργίας του φάσματος απεικόνισης στηρίζεται στη διαφορετική συχνό-τητα συντονισμού που παρουσιάζουν ομοειδείς πυρήνες εφ όσο βρίσκονται σε διαφορε-τική ένταση μαγνητικού πεδίου. Στο Σχήμα 15.1 φαίνεται το κλασικό παράδειγμα για την κατανόηση του φαινομένου. Σε ένα μεγάλο δοκιμαστή τοποθετούμε ένα σωλήνα NMR μέσα στον οποίο στηρίζουμε με ένα δακτύλιο από teflon δυο σωληνάκια με νερό σε διαφο-ρετικό ύψος, έτσι ώστε να υπάρχει ένα μεγάλο διάστημα μεταξύ τους. Η διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου Βο έστω ότι βρίσκεται κατά μήκος του άξονα z. Με περιστροφή του δείγματος των σωλήνων μέσα στο μαγνητικό πεδίο γύρω από τον άξονα z οι πυρήνες 1Η τουνερού στα σωληνάκια συντονίζονται στην ίδια θέση δίνοντας μια κορυφή σχετικά διευρυμένη (Σχ. 15.1α). Εάν ο σωλήνας με τα δυο δείγματα τοποθετηθεί στο δοκιμαστή ακίνητος και κατά μήκος του άξονα y εφαρμοστεί ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο, έτσι ώστε ο ένας σωλήνας a να βρίσκεται σε μικρότερη ένταση μαγνητικού πεδίου από το σωλήνα b, τότε οι πυρήνες 1Η τουa συντονίζονται σε μικρότερη συχνότητα από εκείνους του b δίνοντας δυο διακριτά διευρυμένα σήματα (Σχ. 15.1β). Η ένταση των δυο σημάτων είναι ανάλογη με τον αριθμό των πυρήνων που διεγείρονται, δηλ. ανάλογα με την ποσό-τητα του νερού σε κάθε σωληνάκι. Η διαχωριστική ικανότητα είναι περιορισμένη λόγω του μεγάλου ανοίγματος του δοκιμαστή. 4

5 Ο συσχετισμός της συχνότητας συντονισμού των πυρήνων και της θέσης τους στο χώρο του δοκιμαστή γίνεται με τη διαφοροποίηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Αυτή μπορεί να γίνει με τη βοήθεια ενός ξεχωριστού πηνίου, που εφαρμόζει στην περιοχή του δείγματος γραμμικά μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο μικρής έντασης Βο. G f(x) (field gradient) μερικών gauss/cm. Η ένταση του διεγείροντος παλμού είναι μικρή, έτσι ώστε να διεγείρονται πυρήνες από μικρό και ελεγχόμενο όγκο δείγματος. Γύρωαπότοδείγμασε διάφορες γωνίες που καλύπτουν τις τρεις διαστάσεις υπάρχουν σε μερικά όργανα μέχρι 9 διαφορετικά βοηθητικά πηνία για τη δημιουργία αυτών των μεταβαλλόμενων πεδίων. Εάν το μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο αλλάξει διεύθυνση μέσα στο επίπεδο xy και πάρουμε πάλι το φάσμα NMR του προηγούμενου δείγματος, η μορφή του θα διαφοροποιηθεί ανάλογα με τη γωνία εφαρμογής του βοηθητικού πεδίου (Σχ. 15.1γ). Με αρκετά πολύπλοκη τεχνική με τη βοήθεια του Η/Υ οι λαμβανόμενες διαδοχικές προβολές των φασμάτων που αντιστοιχούν κάθε μια σε μια στενή ταινία του χώρου συντίθενται όλες μαζί και δίνουν μια διδιάστατη απεικόνιση του επιπέδου xy με τη χωροταξική και πληθυσμιακή κατανομή των μαγνητικών πυρήνων στο δείγμα. 5

6 Bo z a b (á) Ï ì ï ãåí Ýòðåäßï Âï (â) Ì åôáâáëëüì åí ï ðåäßï G = 0 G > 0 a b y x Bo B B = B o (1+G(y)) z (ã) (ä) y y x Σχήμα 15.1 Δημιουργία της απεικόνισης στο ΝΜR. με τη βοήθεια του μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου. (α) Με ομογενές πεδίο λαμβάνεται απλή οξεία κορυφή. (β) Με τη βοήθεια του μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου λαμβάνονται δυο διευρυμένες κορυφές. (γ) Με διαδοχικές αλλαγές της διεύθυνσης στο επίπεδο xy λαμβά-νο-νται δυο διευρυμένες προβολές κορυφών με διαφορετική απόσταση μεταξύ τους. (δ) ΗσύνθεσητωνπροβολώναυτώνμετονΗ/Υ δίνει τις τομές των σωλήνων 6

7 Συνήθως παίρνουμε το φάσμα 1H-NMR με την απλή τεχνική της διέγερσης και συλλογής του σήματος. Μπορεί όμως να εφαρμοστεί η ακολουθία των παλμών μέτρησης των χρόνων Τ1 ή Τ2 για μεγαλύτερη διαφοροποίηση των εντάσεων των κορυφών. Η διαφορά στην ένταση του σήματος παρουσιάζεται με διάφορες αποχρώσεις του γκρίζου στις ασπρόμαυρες οθόνες ή διαφορετικό χρωματισμό στις έγχρωμες οθόνες. Η διαφορά της έντασης δημιουργείται είτε από διαφορετική περιεκτικότητα Η2Ο ήλίπους στα διάφορα σημεία ενός οργάνου, είτε από τους διαφορετικούς χρόνους αποδιέγερσης Τ1 και Τ2 των 1Η στα όργανα αυτά. Σε όργανα που περιέχουν μεγάλες ποσότητες νερού οι χρόνοι αποδιέγερσης του 1Η είναι πολύ μεγάλοι, ενώ το αντίθετο συμβαίνει σε μεγαλομόρια πχ. πρωτεΐνες όπου οι χρόνοι Τ1 και Τ2 των 1Η είναι πολύ μικροί. Εάν μετρήσουμε το σήμα με τον κλασικό τρόπο στην πρώτη περίπτωση θα έχουμε μεγαλύτερη ένταση, ενώ αν εφαρμόσουμε ακολουθία μέτρησης χρόνων αποδιέγερσης η ένταση των σημάτων θα αντιστραφεί. Ανάλογα με το χρόνο τα που ακολουθεί μεταξύ του παλμού 180ο και του παλμού μέτρησης 90ο μπορούν να ληφθούν διαφορετικές αποχρώσεις ακόμη και για παρόμοιους πυρήνες. Επίσης το λαμβανόμενο σήμα είναι διαφορετικό από στάσιμο ή κινούμενο δείγμα, όπως πχ. το αίμα. 7

8 Στην κλινική διαγνωστική με την πρόοδο της έρευνας έχουν δημιουργηθεί διάφοροι πίνακες με τους χρόνους αποδιέγερσης των πρωτονίων σε διάφορους ιστούς υγιείς και παθολογικούς. Στα καρκινώματα οι χρόνοι αποδιέγερσης είναι μεγαλύτεροι, ίσως λόγω μεγαλύτερης περιεκτικότητας σε νερό. Ετσι, στα σημεία όπου υπάρχει κάποια βλάβη (φλεγμονή, όγκος κ.λ.π.) έχουμε διαφορετική εικόνα του οργάνου αυτού σε σύγκριση με ένα υγιές βοηθώντας έτσι να γίνει μια εμπεριστατωμένη και τεκμηριωμένη διάγνωση για το μέγεθος και το είδος της βλάβης. Σε αναλογία με τα σκιαγραφικά αντιδραστήρια, που χρησιμοποιούνται στην ακτινογραφία και την αξονική τομογραφία με ακτίνες Χ, στη διαγνωστική με απεικόνιση με ΝΜR χρησιμοποιούνται ειδικά αντιδραστήρια με παραμαγνητικά υλικά, τα οποία δρουν σαν εσωτερικά "βοηθητικά εμφανιστικά" για μεγαλύτερη διάκριση και καλύτερη εικόνα των λαμβανόμενων φασμάτων. Αυτά χορηγούνται συνήθως με ενδοφλέβια ένεση και δημιουργούν αυξημένες συγκεντρώσεις επιλεκτικά σε διάφορα ζωτικά όργανα π.χ. εγκέφαλο, καρδιά, νεφρά κλπ. Τα αντιδραστήρια αυτά επηρεάζουν τους χρόνους απoδιέγερσης Τ1 και Τ2 (Τμ ) των εξεταζόμενων πυρήνων. Λαμβάνονται διαδοχικά φάσματα από την εξεταζόμενη περιοχή και όσο αυξάνεται η συγκέντρωση του αντιδραστηρίου τόσο διαφοροποιείται η συνολική εικόνα του. 8

9 Στο Σχήμα 15.4α φαίνονται καθαρά οι αρτηρίες από νεφρό ζωντανού αναισθητοποιημένου ποντικιού σε τρισδιάστατη μορφή, ενώ στο Σχήμα 15.4β φαίνονται δύο διαφορετικές οπτικές τομές σε νεφρό ποντικιού. Με τον ίδιο τρόπο μπορεί να εξεταστεί το εσωτερικό διαφόρων άλλων ευαίσθητων οργάνων ή αντικειμένων διαπερατών από το μαγνητικό πεδίο πλούσιων σε μετρήσιμους μαγνητικούς πυρήνες (1H, 13C, 19F, 31P) χωρίς να καταστραφεί ή να ανοιχτεί το μελετούμενο στοιχείο. Τέτοιες εικόνες μικρών αντικειμένων μπορούμε να δούμε παρακάτω στο Σχήμα 15.5, π.χ. ένα σπυρί σιτάρι με το φύτρο του (α), ένα έντομο εγκλωβισμένο σε ένα κομμάτι ξύλου (β), ητομή ενός λεμονιού (γ) με τη βοήθεια του "μικροσκοπίου" NMR δυστυχώς σε ασπρόμαυρη έκδοση, ενώ στην πρωτότυπή τους μορφή είναι έγχρωμες και δίνουν οπωσδήποτε περισσότερες και "ζωντανότερες" πληροφορίες. 9

10 Σχήμα 15.2 Μορφή του μαγνήτη για την αξονική τομογραφία ΝΜR. 10

11 Στο Σχήμα 15.3α φαίνεται η απεικόνιση μιας τομής από το κεφάλι ενός ασθενούς με εμφανείς λεπτομέρειες από διάφορα όργανα, πχ. ο εγκέφαλος, διάφορες αρτηρίες κλπ. 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 Αγγειογραφία νεφρών 16

17 Εικόνα ενός καρπού χεριού (επάνω) και του εγκεφάλου με τα επιφανειακά αγγεία 17

18 18

19 19

20 20

21 21

22 Με την εμπειρία που αποκτήθηκε από την εξέταση υγιών οργάνων μπορεί να βγει ένα σίγουρο συμπέρασμα για την συνολική κατάσταση και τη λειτουργικότητα του εξεταζόμενου οργάνου. Στο Σχήμα 15.2 φαίνεται η σχηματική διάταξη του μαγνήτη ενός μαγνητικού τομογράφου με ένα άτομο στο εσωτερικό του τεράστιου δοκιμαστή-μαγνήτη. Ο μαγνήτης είναι υπεραγώγιμος, συνήθως 3-7 Tesla και συνοδεύεται από ισχυρό Η/Υ μεμεγάλημνήμη και σκληρό δίσκο για να αποθηκεύει και επεξεργάζεται τα εκατομμύρια των δεδομένων που απαιτούνται για κάθε απεικόνιση. 22