tom 53, 2004 numer 3–4 (264–265) strony 251– .odległość mię-dzy nimi jest proporcjonalna

Download Tom 53, 2004 Numer 3–4 (264–265) Strony 251– .Odległość mię-dzy nimi jest proporcjonalna

Post on 01-Mar-2019

212 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

WOJCIECH FRONCISZZakad BiofizykiWydzia BiotechnologiiUniwersytet JagielloskiGronostajowa 7, 30327 Krakwe-mail: froncisz@mol.uj.edu.pl

OBRAZOWANIE YWYCH ORGANIZMW METOD REZONANSU MAGNETYCZNEGO

NAGRODY NOBLA W DZIEDZINIE MEDYCYNY LUB FIZJOLOGII W 2003 ROKU

Komitet Noblowski przyzna w 2003 r. Na-grod Nobla w Dziedzinie Fizjologii lub Medy-cyny dwm uczonym: Paulowi Lauterburowi zUSA oraz Peterowi Mansfieldowi z WielkiejBrytanii, za ich odkrycia dotyczce obrazowa-nia metod rezonansu magnetycznego. Od-krycia te day podwaliny nowoczesnej meto-dzie diagnostycznej MRI (ang. magnetic reso-

nance imaging), ktra spowodowaa przeomw diagnostyce medycznej oraz badaniach me-dycznych. Trudno obecnie wyobrazi sobienowoczesny szpital, ktry nie byby wyposa-ony w tomograf MRI. Ocenia si, e kadegoroku przeprowadza si na wiecie ponad 60milionw bada MRI.

KRTKA HISTORIA ODKRY ZWIZANYCH Z JDROWYM REZONANSEM MAGNETYCZNYM

Odkrycie Lauterbura i Mansfielda nie byozawieszone w prni. Byo ono konsekwencjwielu wczeniejszych odkry zwizanych z re-zonansem magnetycznym. W 1924 r. WolfangPauli (PAULI 1924, 1946) postulowa istnieniedla jder atomw wewntrznego momentupdu zwanego spinem. W 1925 r. UHLENBECK iGOUDSMIT (1925, 1926) rozszerzy koncepcjspinu na elektron.

W 1933 r. Frisch, Esterman i Stern zdoalizmierzy moment magnetyczny protonu, ob-serwujc odchylenie toru wizki czsteczekwodoru w niejednorodnym polu magnetycz-nym (ESTERMAN i STERN 1933, FRISCH i STERN1933, STERN 1946). Za swj udzia w rozwojumetody molekularnej wizki i odkryciu mo-mentu magnetycznego protonu Stern otrzymaw 1943 r. Nagrod Nobla w dziedzinie fizyki.

W 1937 r. Isidor Isaac Rabi, na Uniwersyte-cie Kolumbijskim, po wizycie holenderskiego

uczonego Cornelisa Jacobusa Gortera, zmody-fikowa swoje dowiadczenie i zdoa zmierzyjdrowy moment magnetyczny litu i chloru wwizce czsteczek LiCl (RABI i wspaut. 1938).W dowiadczeniu tym wizka czsteczek prze-chodzia kolejno przez trzy rejony pola magne-tycznego, z ktrych pierwszy mia pole niejed-norodne, drugi jednorodne i trzeci niejed-norodne, ale z gradientem pola przeciwnymni w pierwszym rejonie. Nowoci w tym do-wiadczeniu byo wprowadzenie dodatkowo,w rodkowym obszarze jednorodnego polamagnetycznego, oscylujcego pola magnetycz-nego. Pozwolio to na obserwacj po raz pierw-szy efektu rezonansowego. Przy wyczonymzmiennym polu magnetycznym wizka poprzejciu przez trzy rejony pola jest zognisko-wana na detektorze. Po zaczeniu zmiennegopola magnetycznego, speniajcego warunekrezonansowy czstotliwo pola w pobliu

Tom 53, 2004

Numer 34 (264265)

Strony 251262

larmorowskiej czstotliwoci precesji momen-tu magnetycznego badanego jdra nastpujereorientacja spinu jdrowego powodujc roz-ogniskowanie wizki, co manifestuje si spad-kiem jej intensywnoci. Opisane dowiadcze-nie byo pierwszym zarejestrowanym sy-gnaem jdrowego rezonansu magnetycznego.

T nazw wprowadzi jednake po razpierwszy wspomniany Gorter w 1942 r., przy-pisujc jego odkrycie Rabiemu. W nastpnymroku przy pomocy metody rezonansowej zmie-rzono precyzyjnie moment magnetyczny pro-tonu i deuteronu (Ryc. 1). Rabi otrzyma w1944 r. Nagrod Nobla w dziedzinie fizyki zarezonansow metod rejestracji magnetycz-nych wasnoci jder atomw.

Te wspaniae odkrycia, ktre day podwali-ny jdrowemu rezonansowi magnetycznemu,nie przepowiaday w aden sposb moliwocijego zastosowa do ukadw biologicznych,nie mwic o ciele ludzkim. Przeom nastpidopiero w 1945 r., kiedy to, niezalenie od sie-bie, w dwch rnych laboratoriach ameryka-skich, zarejestrowano bezporednio sygnayjdrowego rezonansu magnetycznego ju niena wizce czsteczek poruszajcych si w pr-ni, ale w ciele staym i cieczy. W laboratoriumBlocha, na Uniwersytecie Stanford, zarejestro-wano sygna elektromagnetycznej indukcji wy-nikajcej z reorientacji jder (BLOCH 1946,BLOCH i wspaut. 1946) , natomiast w labora-torium Purcella, na Uniwersytecie Harvarda,

popatrzono na zjawisko z punktu widzeniaenergetycznego i nazwano je absorpcj jdro-wego rezonansu magnetycznego (PURCELL iwspaut. 1946). Wkrtce stao si jasne, eobydwa zjawiska opieraj si na tej samej zasa-dzie. Obydwaj uczeni otrzymali w 1952 r. Na-grod Nobla w dziedzinie fizyki za rozwj no-wych metod do jdrowych, magnetycznych,precyzyjnych pomiarw i powizanych z tymodkry.

Historia rozwoju metody NMR (ang. nucle-ar magnetic resonance) potoczya si dalej wbardzo szybkim tempie. Kilku kolejnych laure-atw Nagrody Nobla przyczynio si do rozwo-ju jdrowego rezonansu magnetycznego(EMRF Foundation 2003). W 1966 r. Alfred Ka-stler uzyska nagrod Nobla dotyczc optycz-nej detekcji rezonansu magnetycznego(KASTLER 1966), a John H. Van Vleck w 1977 r. za wkad w teori diamagnetyzmu i parama-gnetyzmu. Van Vleck by pierwszym uczonym,ktry wprowadzi metod momentw do spek-troskopii NMR, Nicolaas Bloembergen, laureatNagrody Nobla z fizyki w 1977 r., rozwin teo-ri relaksacji i metody jej pomiarw, Norman F.Ramsay (Nagroda Nobla w 1989 r.) opracowateori przesuni chemicznych, a Hans G. De-hmelt ( wsplaureat Nagrody Nobla z fizyki w1989 r.) rozwin jdrowy rezonans kwadrupo-lowy.

252 WOJCIECH FRONCISZ

Ryc. 1. Krzywa rezonansowa protonw wczsteczce HD zarejestrowana przy pomocy me-tody rezonansu magnetycznego wizki molekula-rnej (wg KELLOGGA i wspaut. 1939, zmodyfiko-wana).

Ryc. 2. Porwnanie widma NMR protonw w or-ganicznym zwizku chemicznym wykonanegometod impulsow (FT) i metod fali cigej(CW).

W obydwu przypadkach czas pomiaru by taki sam(wg ERNSTA 1992, zmodyfikowana).

Przeomem w rozwoju spektroskopii jdro-wego rezonansu magnetycznego byo wprowa-dzenie impulsowej metody detekcji przy wyko-rzystaniu transformaty Fouriera (ERNST 1966,ERNST i ANDERSON 1966). Metoda ta, w porw-naniu z metod fali cigej, prowadzia doznacznego zwikszenia czuoci spektroskopiiNMR (ERNST 1992). Za rozwj tej nowej meto-dy Richard R. Ernst otrzyma w 1992 r. Nagro-d Nobla w dziedzinie chemii. Istot impulso-wej metody NMR przedstawia Ryc. 2.

Dalszy rozwj impulsowej spektroskopiiNMR doprowadzi do opracowania unikalnej

metody okrelania, z atomow rozdzielczoci,trjwymiarowej struktury biaek i kwasw nu-kleinowych znajdujcych si w wodnym roz-tworze, a wic w stanie zblionym do stanu fi-zjologicznego, a nie w postaci krystalicznej,stosowanej w dyfrakcji rentgenowskiej. Za roz-wj tej metody Kurt Wthrich otrzyma Nagro-d Nobla w 2002 r. w dziedzinie chemii(WTHRICH 2002; patrz art. EJCHARTA w tymzeszycie KOSMOSU).

BIOLOGICZNE I MEDYCZNE ZASTOSOWANIA MRI

Pocztkowo fizycy zajmujcy si nowood-krytym zjawiskiem NMR nie bardzo wierzyli wmoliwo zastosowania tej metody w biologiii medycynie. Jak wspomnia w swoimwykadzie noblowskim Paul Lauterbur, Purcelli Bloch zdajc sobie spraw, e ciao ludzkie wprzewaajcej czci skada si z wody, prbo-wali zaobserwowa protonowy sygnay NMRw gowie (Purcell) oraz w kciuku (Bloch)czowieka. Uwaajc jednake, e nie s to po-wane eksperymenty naukowe, nie chcieli onich opowiada.

We wspomnianym wykadzie Paul Lauter-bur przytacza wspomnienia Purcella dotyczcemoliwoci zastosowania NMR do bada che-micznych. Wiedziano od pocztku, e czstotli-wo rezonansowa protonw zaley od rodza-ju czsteczki, w ktrej si one znajduj, a cowicej, od pooenia atomu wodoru w samejczsteczce. To zjawisko przesunicie che-miczne umoliwio zastosowanie NMR dochemicznej identyfikacji czsteczek. Napocztku uwaano jednak, e jest to nieuy-teczne utrudnienie spektroskopii NMR. Pod-czas obiadu z przedstawicielem przemysu che-micznego Purcell zosta zapytany o moliwowykorzystania tego zjawiska do charakteryza-cji produktw chemicznych. Podirytowanytym pytaniem Purcell stwierdzi, e zmarnowa

czas tumaczc temu idiocie, e jest to zupenienierealistyczne. Dzisiaj spektroskopia NMRsuy do nieinwazyjnej identyfikacji i pomia-rw rnych czsteczek biochemicznychwprost w ywym organizmie czowieka.

Pierwszym biologicznym zastosowaniemmetody NMR byy badania ywych komrekoraz wycinkw tkanek zwierzcych przepro-wadzone przez szwedzkich uczonych ErikaOdeblada i Gunnara Lindstrma (ODEBLAD iwspaut. 1956). W nastpnych latach prze-prowadzono wiele bada relaksacji, dyfuzji ichemicznej wymiany wody w rnych komr-kach i tkankach, spostrzegajc due zrnico-wanie tych parametrw. Zauwaono midzyinnymi interesujce rnice czasw relaksacjimidzy wycinkami normalnej i nowotworowejtkanki ludzkiej (DAMADIAN 1971, HOLLIS iwspaut. 1973). Jeden z tych badaczy, Dama-dian, uwaa, e odkry podstawow metoddetekcji nowotworw i zastrzeg j w patencie(DAMADIAN 1973). Ten kontrowersyjny uczo-ny pojawi si ponownie przy okazji przyzna-nia ubiegorocznej Nagrody Nobla Lauterburo-wi i Mansfieldowi zgaszajc swoje prawa dotej nagrody (PEARSON 2003).

Warto tu wspomnie, e pierwsze sygnayNMR zarejestrowali w ywym organizmieJACKSON i LANGHAM (1968).

PIERWSZE OBRAZY PRZESTRZENNE WYKONANE PRZY POMOCY SPEKTROSKOPII NMR

Podstawow wasnoci zjawiska NMR jestliniowa zaleno czstotliwoci rezonanso-wej, L [Hz], od wartoci indukcji, B0, polary-zujcego spiny pola magnetycznego:

L =

2 0B

Wspczynnikiem proporcjonalnoci jestwspczynnik yromagnetyczny, ktry jestwielkoci charakterystyczn dla danego ro-dzaju jder, np. protonw dla jder wodoru.Musiao jednak upyn wiele lat zanim t li-

Obrazowanie metod rezonansu magnetycznego 253

niow zaleno wykorzystano do tworzeniaobrazw.

Lauterbur wspomina w swoim wykadzienoblowskim (LAUTERBUR 2003) moment, kie-dy uwiadomi sobie moliwo wykorzystaniatej podstawowej wasnoci zjawiska NMR dolokalizacji przestrzennej rda sygnau. Byoto podczas obiadu ze znajomym. Istota proro-czej idei, ktr wtedy uwiadomi sobie, pole-gaa na czstotliwociowym kodowaniu sy-gnaw NMR w niejednorodnym polu magne-tycznym. Tego samego wieczoru naby w skle-pie notatnik, w ktrym zanotowa na kilku stro-nach swj pomys na wypadek, gdyby wprzyszoci byy problemy z wasnoci intelek-tualn. Zdawa sobie wtedy spraw, e przedpr

Recommended

View more >