РИЧЛАНД, Вашингтон - Эта история беззастенчиво выдумана. Какой угол? Почему, волшебство. Его предмет - мышь в облегающей плексигласовой трубке - совершает почести, вращаясь, как старая грампластинка, со скоростью от одного до трех оборотов в секунду. Камера мыши наклонена точно так же, как внутри магнитного поля, забрасываемого радиоволнами. Крошечная грызунья-авантюристка и ее соратники угнетены и не хуже изнашиваются.
Этот метод, в свою очередь, названный магнитно-резонансной спектроскопией с медленным вращением под магическим углом, или для краткости «медленный MAS», предоставил исследователям новый взгляд на живые ткани и клетки, который не могут дать другие методы биомедицинской визуализации. Разница между обычным ядерно-магнитным резонансом, или ЯМР, и медленным MAS сродни тому, как близорукий человек смотрит на горный хребет без очков в один момент, а в следующий - в очках. Появляются когда-то неразличимые пики и впадины, пики в данном случае представляют ранее невидимые биохимические соединения в том виде, в каком они появляются в живых тканях.
«Это неинвазивный способ взглянуть на функцию живых органов и компоненты, которые в них работают, такие как жир, глюкоза и другие метаболиты», - сказал Роберт Винд, физик и сотрудник лаборатории Тихоокеанского Северо-Запада Министерства энергетики. Национальная лаборатория и изобретатель метода медленного вращения. «Мы считаем, что эту новую технику можно использовать для диагностики заболеваний и оценки реакции организма на лекарства и даже для наблюдения за рабочей физиологией живых клеток».
Сегодня, на 7-й Международной конференции по применению ЯМР в пищевых науках в Копенгагене, Дания, (https://www.models.kvl.dk/NMRinFood/), Винд описал методику и эксперименты, которые показывают потенциал медленной MAS для изучения метаболизма в мышцах и органах. Предметом его вращения в данном случае была сырая (и очень мертвая) крольчатина. Он также использовал бестелесные мышиные печень и мозг для медленных вращений вокруг магнита, обнаруживая химические спектры в тканях с разрешением, в 10 раз превышающим разрешение стационарного ЯМР..
Но наиболее многообещающими для этого метода являются живые ткани, сказал Винд, потому что нет хорошего способа увидеть, что происходит во многих областях тела, особенно на границах органов, тканей и костей. или воздушные полости, такие как легкие и пазухи. Здесь большой магнит, используемый в ЯМР, генерирует небольшие магнитные поля, которые настолько уширяют спектральные линии, что информация об этих мелких деталях теряется.
Техника медленного вращения Wind, которая может генерировать подробные спектры из этих граничных областей, использует особенность ЯМР. ЯМР генерирует спектральную характеристику соединений в образце на основе частот атомных ядер образца, когда они колеблются в сильном магнитном поле. Пионеры ЯМР более полувека назад заметили, что они могут получить лучшее спектральное разрешение, если вращать образец под углом 54,7 градуса к магнитному полю. Чем быстрее они вращали образец, ориентированный под этим так называемым магическим углом, тем больше деталей структуры они получали.
«Это было очень быстрое вращение, ультрацентрифуга, тысячи оборотов в секунду», - сказал Винд. «Если бы вы попробовали это с неповрежденной тканью или живым животным, вы бы взорвали свой биообразец и убили субъекта».
Но что, если бы вы могли замедлить вращение, чтобы живое животное могло противостоять центробежной силе? Проблема с медленным MAS, которую пришлось преодолеть Wind, заключалась в том, что он производил нежелательные сигналы, которые Wind и его коллеги называют «вращающимися боковыми полосами», которые затемняли спектры образца.
Ветер позволил этой идее просочиться в течение примерно шести лет, пока он работал над комбинированным ЯМР-оптическим микроскопом и другими устройствами в Лаборатории молекулярных исследований окружающей среды W. R. Wiley в Ричленде PNNL, штат Вашингтон., кампус. Когда он снова обратился к проблеме, он привел подкрепление, в первую очередь в лице эксперта по ЯМР и штатного научного сотрудника PNNL Цзянь З. Ху.
Работая с Ху, Винд обнаружил, что может получать подробные спектры биологических образцов на рекордно низких скоростях MAS, используя импульсные радиоволны для отделения мешающих вращающихся боковых полос от основного спектра. С помощью этой техники они могли осматривать тела целиком или концентрироваться на отдельных органах или частях тканей.
Wind продолжит совершенствовать технологию, на которую он недавно получил два патента, а PNNL сделает ее доступной для лицензирования. В качестве предшественника исследований на людях, сказал Винд, необходимы испытания безопасности на животных, чтобы увидеть, насколько сильное поле и быстрое вращение они могут выдержать. Он признал, что пациенты могут отказаться от вращения, и считает, что инженеры могут решить эту проблему, создав магниты, в которых магнитное поле вращается вокруг человека в стационарной камере.
PNNL (https://www.pnl.gov) - это лаборатория Управления науки Министерства энергетики, которая решает сложные проблемы в области энергетики, национальной безопасности, окружающей среды и наук о жизни, углубляя понимание физики, химии, биологии и вычислений. В PNNL работает 3 800 человек, годовой бюджет составляет 600 миллионов долларов, и с момента основания лаборатории в 1965 году ею управляет компания Battelle из Огайо.