Святая наука заприметить приятель товарища

Галина Казарина

От изучения человеческого тела до исследования каталитических реакций - возможности магнитно-резонансной томографии велики. Ее энергично используют ныне и утилитарная медицина, и фундаментальная наука

Когда на Западе служба по развитию фундаментальных аспектов магнитно-резонансной томографии и ее врачебных приложений шла полным ходом, у нас в державе к исследованиям в этой области ещё более того, не приступили. Догнать, а догнав - перегнать. На этом стояла, стоит и еще продолжительно будет стоять отечественная наука. После нескольких годков напряженной работы, вершившейся на фоне политических и экономических кризисов, в конце концов догнали: в новом направлении научных исследований - магнитно-резонансной томографии (МРТ) - русские научные специалисты сказали родное первое веское слово. Тут же в головах гвоздем засела мудрость - перегнать.

История Международного томографического центра (МТЦ), созданного в Сибирском отделении РАН усилиями Института химической кинетики и горения и группой фирм Bruker Spectrospin (Германия), описывается выше очерченной схемой. В прямом и переносном смыслах построенный на пустыре, научно-исследовательский центральный узел является в настоящее время признанным мировым вождем безотложно по некоторым направлениям. Фундаментальную науку в МТЦ удачно сочетают с медицинской практикой. Именно тут нарисовался начальный за Уралом магнитно-резонансный томограф и началось регулярное диагностическое обследование населения.

Видна птица по томографу

Сфер применения магнитно-резонансной томографии в нынешней врачебной науке хоть отбавляй. С помощью томографической аппаратуры возможно визуализировать головной, спинной мозг, суставы, позвоночник и внутренние органы. Неинвазивно (без вмешательства) измерять прыть кровотока и тока спинномозговой жидкости. С высокой точностью предуготовлять контрастность и плотность тканей тела, обнаруживая опухоли, кисты, кровоизлияния в органах, переломы в костях, тромбы в сосудах и даже кое-какие взгляды камней в почках и желчном пузыре. Наличие и распространенность опухолевых образований реально выявлять на ранних стадиях, особливо - при исследовании на высокопольных МРТ-системах.

"Главный козырь магнитно-резонансной томографии в том, что она позволяет видать мягонькие ткани, - объясняет заведующий лабораторией медицинской диагностики Международного томографического центра СО РАН, эскулап медицинских наук Андрей Летягин. - Вы можете отличить жировую материя от мышечной, лимфатические узлы от жировой ткани. Мы великолепно видим нервную ткань головного мозга, по сути дела - гель, можем следить даже маленькие ее изменения".

Биофизическая основа магнитно-резонансной томографии в том, что в постоянном магнитном поле клетки человеческого тела обладают уникальными свойствами - они улавливают излучение в радиочастотном диапазоне. В обычном состоянии данное обстоятельство качество у клеток также наблюдается, но оно слабо выражено. "Мало того что биомолекулы в клетках организма улавливают излучение, они его еще и отдают обратно! - делает своеобразный акцент на этом Андрей Юрьевич. - Вот отчего и называется томография резонансной. То есть биомолекулы входят в резонанс с радиочастотными импульсами и сами начинают излучать аналогичные сигналы. Это как раз и позволяет обретать инфу о строении человеческого тела, оттого что молекулы с разным строением на разных частотах по-разному резонируют". Исследователи способны не только вычислить координаты исходящего (резонирующего) сигнала, но и вручить его качественную характеристику, с большей или меньшей точностью установить строение и химический состав объекта, издающего сигнал.

Объекты исследования в медицинской томографии различаются по-своему. "Мы можем поделить объекты на имеющие большую или меньшую долю содержания жидкости, можем выделить "свободную" воду, так как влага дает большой порядок сигнала. Из резонирующих в меньшей уровня структур - липидопротеиновые и углеводородные соединения. Их них состоят, например, мягкие ткани, - те, что дают знак обычного уровня, - откровенничает Андрей Летягин. - Есть нерезонирующие структуры - воздух и богатые кальцием соединения, например, кости или камни (конкременты)".

При диагностике патологических ново образований (опухолей) больному внутривенно вводятся особые контрастные вещества (например, содержащие гадолиний) для уточнения физиологических характеристик исследуемых объектов. Сначала делают нативные изображения, а позже введения порошка получают изображения с "усиленным" контрастом. На отличалке и воздвигают диагноз.

Первый серийный томограф для медицины был выпущен в 1981 году германской фирмой Bruker Spectrospin. Первый за Уралом томографический агрегат этой же фирмы - R28 - был установлен в 1986 году в Институте химической кинетики и горения СО АН СССР. Заработал он в 1987−м и употребляется до сих пор в Новосибирской городской клинической больнице скорой и неотложной помощи 34. "Надежная, хорошая машина", - не скупится на эпитеты Андрей Летягин.

Сегодня в лаборатории медицинской диагностики Международного томографического центра стоит томограф S-50 фирмы Bruker, 1996 года выпуска, тоже "очень верный и хороший". Кроме него есть томограф фирмы Phillips, изготовленный в 2005 году. "Сейчас Bruker перестал совершать томографы для медицины, выпускает только научно-исследовательские аппараты - на четыре-восемь тесла (тесла - единица магнитной индукции - Ред.). Это весьма мощные приборы. Первый томограф (R28) у нас был, например, на 0,28 тесла. S-50 - на 0,5 тесла. Сейчас "ходовые" томографы выпускаются на 1,5 тесла. Считается, что сиё оптимальный стандарт", - говорит Андрей Юрьевич.

Стоимость нынешнего стандартного магнитно-резонансного томографа для медицины - от 1 млн долларов. Цены на технику для научно-исследовательских целей значительно выше. Это штучные приборы, с сильно мощными магнитами и высококачественной электроникой, которые собираются на заводах чуть-чуть ли не вручную. "Как "агрегатины" марки Jaguar или Rolls-Royce , - выбирает подходящее соотнесение Андрей Летягин. - Такие приборы, даже десятилетней давности, запросто могут составлять конкуренцию с новым оборудованием". В России выпуск томографов фактически не налажен. "В Москве, Санкт-Петербурге и Нижнем Новгороде пытаются что-то делать, но о больших размахах речь не идет", - сообщает Андрей Летягин, окромя медицинской томографии занимающийся еще и томографией экспериментальной.

Магнитно-резонансную томографию в лаборатории медицинской диагностики МТЦ используют для проведения исследований в области клинической анатомии. "Как раньше анатомию человечка изучали? - начинает с преамбулы ученый. - Брали прах человека и разными способами его разрезали. Позже стали применять препарирование или приём спилов - по Пирогову. Современные инновационные методы - это методика plastination: останки человека или его количество заливают эпоксидной смолой и начинают работать тонкие миллиметровые срезы, которые могут держаться десятилетиями, не теряя свойств. У нас - магнитно-резонансная томография. То есть мы послойно исследуем живого человека, виртуально разрезая его тело, но не нанося ему никакого вреда. Главная проблема при исследовании - отделить норму от патологии, а чтобы учить последнюю, необходимо в прошлом всего ведать норму. У нас шибко навалом направлений - исследуем головной мозг, органы брюшной полости, грудной клетки, строение суставов, позвоночника, кровеносной системы. И не только на человеке, на животных ещё изучаем строение нормальных тканей и патологических изменений - опухолей, травм, воспалительных изменений, наблюдаем распространение экспериментальных контрастных препаратов".

У томографа глаза велики

В МТЦ благополучно применяют магнитно-резонансные методы для выводы целого ряда физико-химических и биофизических задач. В области микротомографии (magnetic resonance microimaging) новосибирские научные работники - посреди мировых лидеров. Первым в мире им удалось показать, что течение газов можно исследовать алгоритмом ядерно-магнитно-резонансной (ЯМР) томографии - в аккурат так же, как и течение жидкостей. Они первыми провели изыскание работающего каталитического реактора. Увидели, как происходит распределение жидкостей в реакторе прямо в ходе протекания химической реакции. Только опосля опытов в МТЦ подобными исследованиями занялась группа научных специалистов из Кембриджа - еле-еле ли не самая влиятельная группа в мире в области немедицинской томографии. Новосибирским научным специалистам конкурировать с ней тяжело: микротомографией активизировали заниматься значимо позже, да и научно-исследовательская группа в МТЦ крайне маленькая - всего семь человек, из которых три аспиранта и один студент. Тем не менее, по ряду направлений новосибирцы приметно опережают своих международных коллег.

В России никто больше микротомографией не занимается. По крайней мере, в настолько заметных масштабах. "В мире достаточно немало исследований, но не у нас в стране, к сожалению. Причем заинтересованность к микротомографии всегда растет, - говорит глава группы ЯМР-микротомографии , ведущий академический работник МТЦ СО РАН, врач химических наук Игорь Коптюг. - Недавно возвратились с классической международной конференции, - та, что в этом году проходила в Германии. Там собираются ведущие спецы со всего мира. Работы представляют самые разнообразные. Сейчас бойко развиваются, например, таковые приложения, как мобильные устройства. Одно из ограничений ЯМР-томографии в ее исходном виде в том, что эталон необходимо помещать непременно вовнутрь датчика. Понятно, что не любой предмет можно поместить внутрь, тем больше небольшого датчика. Есть задачи, когда надо исследовать процессы транспорта жидкостей в строительных материалах или процессы старения в картинах, статуях - то, что мы называем культурным наследием. Такие объекты воспрещено без затей брать и поместить внутрь датчика. Поэтому разрабатываются приборы, которые можно перемещать, переносить, перевозить и легко прикладывать к объекту исследования, чтобы посмотреть, что в нем происходит".

"Вообще, микротомография - это вещь условная. Считается, когда пространственное позволение меньше миллиметра - это микротомография. Но заурядно дозволение бывает порядка сотен, порой десятков микрон, существуют работы, в которых получают разрешение даже до единиц микрон, - повествует о специфике методики Игорь Валентинович. - В микротомографии на самом деле применяется тот же способ, что и в медицинской. В методическом проекте это одно и то же. Но микротомография исследует объекты куда меньшего размера, чем человеческое тело, оттого оборудование отличается - нам надобно гораздо меньше местоположения для образца. Соответственно, можно добиваться более высоких параметров, в силу того что что в маленьком размере гораздо проще реализовать оптимальные условия для приобретения изображения".

Посредством микротомографии исследуются самые различные объекты. Чаще всего - содержащие жидкости. "Поскольку врачебная ЯМР-томография построена на том, что человеческое стан по большей части состоит из воды и жиров, то и среди неживых объектов исследуются в основном те, которые содержат энное численность жидкости, в первую очередность воды. Но это необязательно. Все-таки спектр объектов и процессов, которые можно штудировать в неживой природе, гораздо шире, - продолжает Игорь Коптюг. - Мы страсть сколько сотрудничаем с Институтом катализа СО РАН, исследуем процессы, так или по иному имеющие касательство к катализу и химической технологии. Изучаем раньше всего пористые материалы, смотрим наличие, распределение и перемещение в них жидкостей. Исследуем транспорт жидкостей в пористых матрицах. Многие теперешние катализаторы представляют собой некую пористую матрицу, на которую нанесен собственно сам катализатор, то есть его бойкий компонент. Поэтому для катализа очень немаловажно знать, как происходят процессы транспорта жидкостей в таких системах. Процесс приготовления катализаторов - вопрос, которым мы тоже занимаемся. Другой любопытный круг задач - это изучение каталитических реакций и исследование непосредственно того, как трудится каталитический реактор, какие процессы в нем протекают. Как я сказал, сигналы чаще всего получают по жидкой фазе. Однако нам удалось существенно продвинуть употребление приема ЯМР-томографии в исследовании газов и твердых материалов".

У ЯМР-томографии при всех ее достоинствах есть одно принципиальное ограничение - очень невысокая чувствительность. А чувствительность способа определяет на практике все, в том составе пространственное разрешение получаемого изображения - чертовски величавый аспект в томографических исследованиях. Но, как оказалось, используя специальные каталитические реакции, можно в несколько тысяч раз увеличивать величину знака ЯМР. То есть получать изображение гораздо быстрее и с более высоким пространственным разрешением, что позволит значительно поднять свойство ЯМР-томографии. На Западе уже сделаны первые службы в этом направлении. Ученые получают поляризованное вещество, - то, что после вводят в кровеносные сосуды лабораторного животного. Буквально за доли секунды полная карта сосудов звериного готова. Разумеется, данная предмет в наши дни известна среди исследователей. Фундаментальная наука в - тот, что раз способен соорудить неоценимый вклад в формирование практической медицины.

Найти себе пару

Элементарные частицы - электроны, протоны, нейтроны - напоминают собой стабильно крутящиеся волчки. Собственный механический миг численности движений элементарной частицы или атомного ядра называется спином (от английского to spin - вращаться). Важнейшей характеристикой поясница является магнитный момент. "В молекулах все электронные спины просто спарены, они сидят на одной орбите. По принципу пары могут находиться электроны только с противоположно ориентированными спинами, - старается ясно втолковать заведующий группой теоретической и спиновой химии МТЦ СО РАН, лекарь физико-математических наук Никита Лукзен. - Когда есть световое или радиационное воздействие, молекула ионизируется и образуется так называемый вольный радикал - частица с неспаренным спином. Естественно, она стремится скорее образовать пару. Свободные радикалы - отчаянно реакционноспособные частицы и типично крайне короткоживущие: существуют сотни наносекунд - сотни миллиардов долей секунды. Методами спиновой химии можно осваивать их структуру, то, как они исчезают и в каких реакциях участвуют".

Спиновая химия - еще одно важное и перспективное ориентация исследований МТЦ, а кроме того Института органической химии и Института неорганической химии СО РАН. И для прикладной, и для фундаментальной науки спиновая химия представляет громадный интерес. Сверхчувствительные методы исследований, созданные в рамках этого направления в теперешней химии, позволяют по-новому заниматься изучением фотохимические превращения и радиационные процессы, белковые реакции и фотосинтез.

В медицине спиновая химия тоже скажет близкое веское слово. Исследования в области спиновой химии могут быть пользительны для совершенствования ЯМР-томографии. Кроме короткоживущих существует класс стабильных радикалов, которые не исключено использовать как контрастные вещества для ЯМР-томографии. Проблема в том, что данные соединения чаще всего ядовиты. Однако сегодня в МТЦ синтезированы нетоксичные стабильные радикалы, которые изучаются как потенциальные ЯМР-контрастные агенты.

В прошлом году группой теоретической и спиновой химии МТЦ совместно с Университетом Оденса (Дания) были проведены исследования с целью обусловить уровень воздействия сотовых телефонов на самочувствие человека. Ученые исследовали воздействие магнитной составляющей излучения телефонов на реакции в организме, протекающие с участием свободных радикалов. "Наши расчеты показали, что влияние переменной компоненты магнитного поля мобильных телефонов на перечень радикальных реакций, протекающих в организме, является пренебрежимо малым", - говорит Никита Лукзен.

Другое научное направление современной химии, успешно развиваемое в МТЦ, - дизайн молекулярных магнетиков. "С одной стороны, это магнетики, то есть они проявляют магнитные свойства. С прочий стороны, состоят из молекул, которые в обычном смысле магнетиками не являются. Это очень любопытная комбинация - органические вещества и магнетики", - удивляется парадоксальной природе свежих магнитных материалов Никита Николаевич.

В различие от классических магнитных материалов, молекулярные магнетики необычайно легкие. Могут быть оптически прозрачными и в видимой, и в инфракрасной областях спектра. Не требуют специальных изоляционных покрытий при контакте с электропроводящими устройствами, вследствие того что что являются диэлектриками. В финале концов, они совсем нетоксичны и устойчивы к коррозии. Молекулярные магнетики называют материалами будущего и пророчат им большущий счастливый момент в медицине, энергетике, информационных технологиях, приборостроении и многих других областях человеческой деятельности. В Международном томографическом середине уже сделали шаг в грядущее - кристаллы молекулярных магнетиков со до того особенными свойствами в этом месте получены.

Keywords: