Международный томографический центр СО РАН получил мегагрант на изучение ядерной спиновой гиперполяризации в многократно переключаемых полях. Руководителем проекта, запланированного на три года, является крупнейший в мире специалист в области магнитного резонанса Джеффри Боденхаузен. При его непосредственном участии специалисты МТЦ СО РАН намерены расширить методическую базу исследуемой темы, а также получить результаты, позволяющие усовершенствовать методы диагностики различных заболеваний.
«Как известно, ядерный магнитный резонанс (ЯМР) является мощным инструментом исследований, широко применяемым в различных областях науки. Помимо приложений в химии и биологии, все наверняка слышали о магнитно-резонансной томографии (МРТ) — повсеместно используемом методе медицинской диагностики. Кроме того, ЯМР и МРТ позволяют детально исследовать структуру и свойства различных объектов на макро-, микро- и молекулярном уровне. Магнитные свойства атомов делают возможным использование магнитного резонанса для изучения широкого класса соединений как неорганической, так и органической природы. При этом все методы ЯМР имеют общий недостаток — низкую чувствительность (по сравнению с другими спектроскопическими методами). Одним из подходов повышения чувствительности является применение гиперполяризованных спиновых систем», — рассказывает директор МТЦ СО РАН доктор физико-математических наук Константин Львович Иванов.
Спин — это собственный момент импульса частицы, электрона либо атомного ядра. Наличие у частиц спина также приводит к существованию у него магнитного момента, с которым имеет дело магнитный резонанс. Ядерный магнитный резонанс — это явление резонансного поглощения электромагнитного излучения (радиочастотный диапазон) системой ядерных магнитных моментов, помещенных во внешнее магнитное поле. Интенсивность сигнала ЯМР прямо пропорциональна спиновой поляризации — относительной разности заселенностей состояний ядерных спинов. Малая величина поляризации (как правило, менее 0,01 %) в условиях термодинамического равновесия является одной из причин низкой чувствительности ЯМР-методов, поэтому применение гиперполяризованных спиновых состояний дает выигрыш на несколько порядков величины в интенсивности сигналов ЯМР.
Проект сибирских ученых в первую очередь связан с развитием и применением методов спиновой гиперполяризации, позволяющей существенно (на несколько порядков) повысить чувствительность ЯМР/МРТ. Известно несколько методик гиперполяризации, такие как оптическая накачка благородных газов, химическая поляризация ядер, динамическая поляризация ядер (ДПЯ) и индуцируемая параводородом поляризация ядер (ИППЯ). Специалисты МТЦ СО РАН остановились на развитии и применении последних двух методик. В ДПЯ гиперполяризация создается за счет переноса поляризации с электронных спинов (для этого в образец добавляют стабильные радикалы — химически стабильные частицы с неспаренным электроном) в ИППЯ — с использованием спинового изомера молекулы Н2 с нулевым спином (параводорода). Несмотря на то что данный спиновый изомер сам по себе не имеет магнитного момента и поэтому не дает сигнала ЯМР, он находится в существенно неравновесном спиновом состоянии. При помощи химических реакций гиперполяризацию параводорода можно конвертировать в значительное усиление ЯМР-сигналов. Сегодня ДПЯ и ИППЯ имеют целый ряд приложений, которые принципиально невозможны с использованием равновесно поляризованных спиновых состояний. К таким приложениям можно отнести изучение химических реакций, исследование метаболизма, проведение экспериментов по молекулярной томографии. Развитие подобных технологий может позволить эффективнее обнаруживать различные патологии на ранних стадиях прогрессирования болезней. «В МТЦ СО РАН имеются возможности для работы в ультраслабых полях от нескольких нанотесла до сильных полей, применяемых в ЯМР-спектроскопии (порядка 10 тесла). Для сравнения — магнитное поле Земли равно 50 микротесла, то есть мы планируем работать в полях как много больше, так и много меньше поля Земли. Контролируемое изменение магнитного поля открывает целый ряд интересных возможностей: дело в том, что эффективность генерации гиперполяризации и переноса поляризации (например, с протонов на ядра 13С и 15N) существенно зависит от магнитного поля, равно как и время жизни поляризации. Таким образом, возможность работы в различных магнитных полях позволит эффективно управлять процессами генерации и переноса поляризации, а также увеличивать ее время жизни. Здесь нужно отметить, что важную роль играет использование слабых и ультраслабых полей — в данном диапазоне следует ожидать принципиально иного характера спиновой динамики по сравнению со случаем сильных полей. Так, в слабых полях становится эффективным перенос поляризации, а также появление так называемых долгоживущих спиновых состояний. Использование таких состояний позволяет исследовать различные медленные процессы, а также сохранять неравновесное состояние спиновой системы в течение максимально длительного времени», — говорит Константин Иванов.
Реализация проекта начнется с 2021 года, однако в МТЦ СО РАН на сегодняшний день уже имеется признанный международным ЯМР-сообществом научный задел по указанной тематике исследований: уникальные разработки по методам ЯМР с переключением магнитного поля, по применению параводорода для усиления сигналов ЯМР, по работе с долгоживущими спиновыми состояниями и по развитию методов переноса поляризации. В проекте официально участвует только МТЦ СО РАН, но планируется привлечь к работе ряд иностранных ученых, в том числе сотрудников лаборатории Джеффри Боденхаузена из Высшей нормальной школы Парижа (École Normale Supérieure Paris). В лаборатории имеется уникальное научное оборудование, позволяющее проводить эксперименты по ДПЯ, на котором будут проводиться стажировки сотрудников МТЦ СО РАН.
«Джеффри Боденхаузен является одним из наиболее известных в мире специалистов в области магнитного резонанса — его имя и достижения, безусловно, известны каждому ученому, работающему в области ЯМР. То, что он согласился участвовать в проекте, является большим успехом для МТЦ СО РАН и, несомненно, послужит укреплению репутации нашего института в России и за рубежом. Мы ожидаем плодотворной работы по проекту и новых научных результатов», — добавляет Константин Иванов.
Грант сибирских ученых в первую очередь направлен на фундаментальные исследования, его результаты будут иметь, прежде всего, научно-практическую значимость. Полученные методические разработки в дальнейшем могут применяться различными коллективами и лабораториями, работа которых связана с развитием методов спиновой гиперполяризации и ЯМР в слабых и ультраслабых магнитных полях. Практических применений можно ожидать от части проекта, связанной с использованием гиперполяризованных долгоживущих состояний для быстрого и эффективного скрининга (тестирования) лекарств методами ЯМР, в клинической и фармацевтической сфере.
Константин Львович Иванов благодарит за участие в планировании исследований и написании заявки на грант научного руководителя МТЦ СО РАН академика Ренада Зиннуровича Сагдеева, заместителя директора МТЦ СО РАН по научной работе доктора физико-математических наук Матвея Владимировича Федина, заведующую лабораторией фотохимических радикальных реакций МТЦ СО РАН доктора физико-математических наук Александру Вадимовну Юрковскую, ученого секретаря МТЦ СО РАН кандидата химических наук Людмилу Владимировну Яньшоле.
Андрей Фурцев
Фото предоставлено исследователем
