МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский  государственный
электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНАЯ БИОНАНОДИАГНОСТИКА
Санкт-Петербург
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
2013
УДК 537.635
ББК В 334.2
М12
Авторы: Ю.В.Богачев, Я.Ю.Марченко, А.Н.Наумова, Ю.С.Черненко
М12 Магнитно-резонансная бионанодиагностика. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013,. 31 с.
ISBN 978-5-7629-1002-6
Описываются принципы диагностического магнитного резонанса. Приводится анализ возможностей применения магнитных биосенсорных наночастиц и магнитно-релаксационных детектирующих устройств в магнитно-резонансной диагностике.
Данные научно-популярные материалы предназначены для студентов и аспирантов, инженеров и ученых, интересующихся вопросами применения магнитного резонанса в медицинской диагностике.
Материалы подготовлены в рамках НИР по соглашению с Минобрнауки России № 14.B37.21.0568 от 10.08.2012 г.
УДК 621.039.665 + 543.429.2
ББК В 373.3 + В 344.1
Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. СПбГПУ К.Ф. Штельмах.
ISBN 978-5-7629-1002-6 © Богачев Ю.В, Марченко Я.Ю., Наумова А.Н., Черненко Ю.С.
2013
© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013
СОДЕРЖАНИЕ
Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц, терминов 3
Введение 4
1. Принципы диагностического магнитного резонанса 8
2. Свойства и механизмы магнитной релаксации протонов биологических жидкостей в присутствии магнитных наночастиц 12
3. Магнитные биосенсорные наночастицы 16
4. Магнитно-релаксационные детектирующие устройства 21
Список литературы 25
Перечень сокращений, условных обозначений, символов, единиц, терминов
МР – магнитный резонанс
МРТ – магнитно-резонансная томография
ДМР – диагностический магнитный резонанс
ЯМР – ядерный магнитный резонанс
МРС – магнитно-резонансная спектроскопия
РКТ – рентгеновская компьютерная томография
ЭПР – электронный парамагнитный резонанс
МЭМС - микроэлектромеханические системы
КМОП - комплементарные металло-оксидные полупроводники
ПЦ – парамагнитные центры
ММРТ – молекулярная магнитно-резонансная томография
РЧ – радиочастотный
ВЧ – высокочастотный
СВЧ – сверхвысокочастотный
Введение
В настоящее время явление магнитного резонанса используется не только для исследования различных медико-биологических объектов, но и широко применяется в клинической практике. Магнитно-резонансная томография (МРТ) и магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) являются признанными методами современной неинвазивной медицинской диагностики. Среди современных диагностических методов, основанных на высоких технологиях, эти методы выделяются благодаря своей информативности и высокой степени безопасности для человека, так как в них не используются никакие ионизирующие излучения. Отличительными признаками МРТ являются способность, в отличие от методов, использующих рентгеновское излучение, визуализировать мягкие ткани, отсутствие экранирования исследуемой области окружающими тканями и органами (например, костями черепа), возможность целенаправленно манипулировать режимом получения и обработки данных в зависимости от характера требующейся информации. При соответствующей организации процесса приема и обработки данных получаемая информация может быть связана с различными молекулярными и макроскопическими свойствами вещества (концентрация определенных атомов или их групп, образование макромолекулярных комплексов, направленное движение жидкости, перфузия, трансфузия, трансляционная и вращательная диффузия и другие виды молекулярной подвижности). Магнитно-резонансная томограмма отражает пространственное распределение значений различных физических параметров, характеризующих исследуемый объект. В этом отношении МРТ принципиально отличается от, например, рентгеновской компьютерной томографии (РКТ), которая чувствительна исключительно к одному параметру − плотности вещества.
МРТ является относительно молодым методом: если прототип рентгеновской компьютерной томографии (РКТ) − рентгеновское просвечивание − появился вскоре после открытия в 1895 г. рентгеновских лучей, то само явление, которое используется в МРТ, − ядерный магнитный резонанс (ЯМР) − было открыто лишь в 1945 г. Только почти тридцать лет спустя, в 1973 г., были осуществлены первые эксперименты по получению изображений с помощью ЯМР (П. Лаутербур, США), а основанные на этом принципе экспериментальные приборы медицинского назначения появились только в начале 80-х годов прошлого века. Справедливости ради, следует отметить, что публикации о возможности использования магнитного резонанса для визуализации внутренних органов человека имелись и раньше (статья 1971 г. и патент 1972 г. Р. Дамадиана, а также его же сообщение о получении первого изображения внутренних органов человека с помощью ЯМР). Кроме того, свидетельство на изобретение метода визуализации с помощью ядерного магнитного резонанса было выдано бывшему выпускнику Ленинградской академии им. Можайского В. А. Иванову (СССР) в 1984 г. с приоритетом от 1960 г. (!). Высокая оценка как научной, так и практической значимости исследований в области МРТ проявилась в присуждении Нобелевской премии в области физиологии и медицины за 2003 год ученым, внесшим значительный вклад в развитие этого направления − П. Лаутербуру (США) и П. Мэнсфилду (Великобритания) «за их открытия, относящиеся к магнитно-резонансному отображению».
Однако следует признать, что по данным МРТ удается как правило выявить лишь макроскопические морфологические изменения тканей организма, в то время как функциональные сдвиги, лежащие на биохимическом уровне, часто оказываются нераспознанными. Поэтому поиск новых методик МР обследования, позволяющих продвинуться в направлении изучения именно функционального состояния органов и систем, является в настоящее время одним из приоритетных направлений исследований. Одной из самых перспективных в данном отношении является магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) – методика неинвазивного определения биохимического состава тканей обследуемого организма. Она появилась задолго до магнитно-резонансной томографии и первоночально использовалась для биохимического анализа различных проб in vitro. С появлением же высокопольных магнитно-резонансных томографов появилась возможность применения ее и в условиях in vivo. С развитием техники МРТ появляются все новые сообщения о значительных возможностях МРС в углублении медицинских знаний и понимании некоторых аспектов нормальной и патологической физиологии человека. Описанию методов МРТ и МРС, рассмотрению их возможностей в медицинской диагностике, перспективам развития в большей степени посвящена эта монография.
Материалы, представленные здесь, охватывают новое направление применения магнитного резонанса в медицинской диагностике – метод диагностического магнитного резонанса (ДМР). Принцип, лежащий в основе ДМР, – использование магнитных наночастиц в качестве бесконтактных биосенсоров, модулирующих время спин-спиновой релаксации Т2 соседних молекул воды. На сегодняшний день магнитные биосенсорные наночастицы разработаны для обнаружения широкого спектра целей, включая ДНК/микроРНК, белки, ферменты, лекарственные препараты, патогены и опухолевые клетки. В последнее время возможности технологии ДМР значительно шагнули вперед благодаря разработке миниатюрных, основанных на чипе, ЯМР-детектирующих систем (микро-ЯМР), которые способны выполнять высокочувствительные измерения в микролитровых объемах образца и в мультиплексном комбинированном формате. С учетом этих достижений, метод ДМР содержит в себе большие перспективы для создания высокопроизводительных, портативных, недорогих микроплатформ для широкого молекулярного и клеточного скрининга в условиях клиник и пунктах оказания первичной медицинской помощи.
Приведенные научно-популярные материалы будут способствовать ознакомлению более широкого круга исследователей с возможностями метода ДМР с целью его более широкого практического внедрения в медицинской диагностике. Пособие будет также полезно и для обеспечения научно-исследовательского и учебного процессов при подготовке молодых специалистов (магистров и аспирантов) в рамках современных образовательных инновационных программ.
|
