Руководитель Международного томографического центра СО РАН награжден престижной премией Гюнтера Лаукина, присуждаемой за передовые экспериментальные исследования в области ядерного магнитного резонанса (ЯМР) с высоким потенциалом для практического применения. О премии написано в статье, вышедшей в престижном журнале Angewandte Chemie, International Edition.
Работа директора МТЦ СО РАН доктора физико-математических наук Константина Львовича Иванова связана с повышением чувствительности метода ЯМР-спектроскопии. Результаты, которые он получил, могут быть использованы для усиления ЯМР-сигналов, в том числе метаболитов и лекарственных препаратов при диагностике раковых заболеваний и контроле эффективности их лечения.
ЯМР-спектроскопия имеет дело с собственными магнитными моментами (спинами) ядер водорода, углерода и других элементов, которые определенным образом ориентированы по отношению к внешнему магнитному полю. Когда на ядра воздействуют переменным электромагнитным полем, происходят переходы между спиновыми уровнями энергии с определенными значениями проекции магнитного момента на направление поля. Регистрируя отклик ядер на такое воздействие, то есть анализируя спектры ЯМР, можно получить информацию о молекулярном строении различных химических веществ. При помощи ЯМР также можно послойно восстанавливать трехмерную структуру непрозрачных объектов, то есть проводить эксперименты по ЯМР-томографии.
Проблемой этих методов является низкая чувствительность. «Интенсивность ЯМР-сигналов прямо пропорциональна разнице в заселенности спиновых состояний. В нормальных равновесных условиях эта разница колоссально мала: ее доля от общего числа атомов не превышает 0,01 %. Получается, что если в образце 10 000 молекул, за которыми мы наблюдаем, то лишь одна из них дает вклад в полезный сигнал. Поэтому для его усиления сегодня всё чаще используются методики спиновой гиперполяризации, которые позволяют существенно, на несколько порядков величины, увеличить разницу в заселенности спиновых состояний по сравнению с равновесной ситуацией», — рассказывает Константин Иванов.
Ученый исследует явления, связанные с использованием параводорода для усиления сигналов ЯМР. Это модификация водорода — молекула H2 с антипараллельными спинами двух атомов H. Само по себе такое состояние молекулы характеризуется нулевым магнитным моментом и поэтому не дает сигнала ЯМР, тем не менее, используя параводород и применяя химические реакции, можно усилить ЯМР-сигналы. Причем, по словам физика, усиление может достигать сотен, тысяч и десятков тысяч раз.
Сегодня одними из основных областей приложения гиперполяризации являются биология и медицина, в частности онкология. Большое внимание уделяется изучению метаболизма в здоровых и опухолевых тканях. Подходящим методом для этого является гиперполяризация пирувата — метаболита, который входит в цикл Кребса (центральная часть общего пути катаболизма. — Прим. ред.) и превращается в аланин и лактат. Скорость этих превращений разная в нормальных органах и раковых образованиях.
«Ряд иностранных лабораторий использует для усиления ЯМР-сигнала динамическую поляризацию ядер. Метод эффективный, но дорогой в эксплуатации. Больших денег стоит установка, также высоки эксплуатационные расходы. Работа с параводородом — это дешевая, доступная и перспективная альтернатива. Получать его относительно несложно и недорого», — объясняет Константин Иванов.
Премия Гюнтера Лаукина — одна из самых престижных наград в области ЯМР. Она вручается с 1999 года. Константин Львович Иванов — первый российский ученый, удостоившийся присуждения премии. Приз учрежден фирмой Bruker, которая производит научное оборудование. Кроме того, Bruker вместе с СО РАН является соучредителем Международного томографического центра. Премия Лаукина 2020 года вручена трем ученым — Саймону Дакетту (Великобритания), Константину Иванову и Уоррену Уоррену (США) — за развитие неразрушающего подхода для применения параводорода в ЯМР. Метод называется SABRE (от англ. Signal Amplification By Reversible Exchange — усиление сигнала за счет обратимого обмена).
«Наука в Сибири»
Фото предоставлено Константином Ивановым
