«Наука в Сибири» № 6 (2492) 11 февраля 2005 г. ТОМОГРАФИЧЕСКИЙ ЦЕНТР: БУДНИ И ПЕРСПЕКТИВЫ Слово «томография» воспринимается населением как название ультрасовременного метода медицинской диагностики, позволяющего «просветить» организм, не получая при этом дозы рентгеновского облучения. Такое представление слегка однобоко, но, в общем, правильно. А вот то, что широкие читательские массы не имеют представления об уникальных научно-исследовательских возможностях этого метода, как и о том, что многогранная деятельность Международного томографического центра медициной не ограничивается, совершенно неправильно. Единогласно придя к такому заключению, редакция «НВС» снарядила в Томографический центр журналистский десант. Юрий Плотников, «НВС» Как рассказал директор МТЦ академик Ренад Сагдеев, центр традиционно развивает несколько научных направлений. Первое — спиновая химия, где работа осуществляется в тесном контакте с «материнским» Институтом химической кинетики и горения СО РАН, другими институтами химического профиля. Приоритет сибиряков в этом деле общеизвестен и никем не оспаривается. Второе направление — молекулярные магнетики. Сибирские ученые научились делать совершенно новые магнитноактивные соединения, обладающие уникальными свойствами. Наконец, собственно томография, медицинская и немедицинская. Метод позволяет изучать не только живой организм, но и внутреннее строение вещества. Посмотреть, как протекают химические реакции внутри твердого тела, невидимые невооруженным глазом, другими методами было просто невозможно. И успехи здесь несомненны. С последнего направления, о котором ранее почти не говорили, мы и начали свое путешествие по Центру. За аббревиатурой ЯМР кроется явление ядерного магнитного резонанса. Группой ЯМР-микротомографии руководит доктор химических наук Игорь Коптюг, который и провел для нас краткий ликбез. Сначала, еще в 40-х годах прошлого века, был открыт принцип ЯМР-спектроскопии. Он основан на том, что ядро атома водорода имеет магнитный момент — спин, взаимодействующий с магнитными полями, постоянными и переменными. По спектру ЯМР можно судить о том, в каком окружении эти атомы и ядра находятся, получая, таким образом, информацию о структуре молекулы. В ЯМР-спектроскопии используется однородное магнитное поле. Поэтому, допустим, вода, разлитая по разным ампулам и в разных количествах, все равно дает в спектре единую линию, поскольку все молекулы абсолютно одинаковы. В 70-е годы была предложена новая идея: если магнитное поле сделать неоднородным, спектральная линия от каждой молекулы окажется в разном месте, в зависимости от того, в каком поле она находится. Зная характеристики магнитного поля на разных участках объекта, можно уверенно сказать, где именно находится молекула, или точнее, некоторый объем жидкости. Новый метод получил название ЯМР-томографии. Общеизвестно, что молекула воды содержит два атома водорода (которые и дают протонный сигнал). Тело человека по большей части состоит из воды, поэтому ЯМР-томография имеет потрясающую информативность — по сути дела, для нее нет недоступных уголков. Но оказалось, что метод применим и в исследованиях неживых объектов, содержащих жидкости. Что это дает? Несколько примеров, как говорится, навскидку. В некоем объекте есть некоторое количество жидкости. ЯМР-томография позволяет исследовать, как происходит ее перераспределение (на строгом научном языке — транспорт). Допустим, вода пропитывает твердый пористый материал. Самого материала мы не видим, но, как только туда попадает жидкость, структуру этой пористой матрицы удается разглядеть по сигналу ЯМР. То же самое можно сказать и по поводу обратного процесса — сушки материалов. Транспорт жидкостей в различных пористых материалах весьма распространен в химических технологиях. От движения жидкостей внутри строительных конструкций во многом зависит, как долго будет стоять здание. Циркуляция воды в почве очень важна для агротехники. В медицине требуется исследовать движение крови по сосудам… Приложений много. Некоторые результаты вполне заслуживают названия уникальных. Впервые удалось показать, что метод ЯМР-томографии можно применять и к течению газов. До исследований группы И. Коптюга это не было сделано никем в мире и считалось попросту невозможным. Оказалось, что, по крайней мере, ламинарные течения томографии вполне по силам. Более того, буквально за последний год выяснилось, что, помимо газов и жидкостей, этим методом можно исследовать твердые материалы, жидкостей не содержащие. Магнитных ядер достаточно много: алюминий, кремний, натрий… Но раньше считалось, что для твердых материалов нужны специальные установки, особенные методики, а на серийном приборе, предназначенном для жидкостей, нечего и пытаться. Надо сознаться, в Томографическом центре тоже так считали. Но попытались — и получилось! Ради таких «разочарований» и живет ученый. Применением новых высокочувствительных методов к исследованию сложных белковых молекул занимается группа д.ф.-м.н. Александры Юрковской. Белки — основной компонент живой материи. Состоят они из аминокислот. Белковые молекулы очень большие, их масса составляет десятки тысяч атомных единиц, а спектры ЯМР содержат сотни тысяч линий. Современные методы спиновой химии позволяют с помощью импульса лазера в химической реакции создать на молекуле метки с высокой степенью ядерной поляризации, как бы «подсвечивающие» отдельные аминокислоты в спектре ЯМР. Изучая свойства этих спиновых меток, можно получать информацию о внутримолекулярной подвижности аминокислот, другим методам недоступную. Приложения могут быть и медицинские, и биологические. Существует так называемое нативное состояние белка, в котором он работает как катализатор, «биологическая машинка». Белок синтезируется в виде ниточки, цепочки аминокислот, которая затем сворачивается в спирали и складки. А эти спирали укладываются в очень плотную упаковку, почти кристаллическую структуру. Это и есть нативное, рабочее состояние белка. Но имеются и другие состояния, нативными не являющиеся. В них часть структуры сохранилась, но белок как бы «подплавился», поэтому оно называется состоянием расплавленной глобулы. В живых клетках оно имеет важное функциональное значение — именно в таком состоянии белки проникают сквозь клеточные мембраны. Механизм трансмембранного перехода до сих пор во многом непонятен. Над этими проблемами сегодня бьются и химики, и биологи. Выяснилось, что в ненативных состояниях структура белков — разбухшая. При добавлении денатурирующих веществ спирали могут достаточно долго сохраняться, но петли и складки разворачиваются раньше. С помощью ядерной поляризации, создаваемой в химических реакциях, ученые Томоцентра смогли разглядеть, как в различных ненативных состояниях белков шевелятся отдельные аминокислоты. Это новый высокочувствительный метод для изучения внутримолекулярной подвижности, структуры и динамических процессов в белках. Доктор физико-математических наук Елена Багрянская возглавляет группу спиновой поляризации. На основе спиновой поляризации ядер и электронов Р. Сагдеевым и Ю. Молиным были предложены косвенные методы детектирования короткоживущих радикальных частиц. Традиционное направление работы группы — исследование с помощью этих методов механизмов радикальных реакций. Почему это важно? Известно, что слабые магнитные, радиочастотные поля оказывают влияние на живые организмы, хотя вопрос до сих пор дискутируется. Например, два года назад была опубликована работа, которая произвела небольшую сенсацию — о том, что механизм ориентирования птиц во внешнем магнитном поле может быть объяснен теорией радикальных пар. Как раз эта теория и является предметом исследования новосибирских ученых. В последнее время в биологии нашли применение ЯМР- и ЭПР-спиновые ловушки. Что такое ЯМР, мы уже знаем. ЭПР — электронно-парамагнитный резонанс. С помощью спиновых ловушек ученые охотятся за короткоживущими радикалами и исследуют радикальные процессы в организме. Работа по применению ЯМР- и ЭПР-спиновых ловушек для детектирования радикалов in vitro и in vivo ведется в сотрудничестве с ИХКиГ СО РАН, ИЦиГ СО РАН и НИОХ СО РАН. В чем заключается преимущество Академгородка? Можно использовать весь его огромный потенциал. В частности, в Новосибирском институте органической химии синтезируют уникальные нитронилнитроксильные радикалы, которые затем с помощью разработанного сотрудниками МТЦ СО РАН и ИХКиГ СО РАН метода с применением ЯМР 19F используются для разработки новых способов детектирования оксида азота (NO) в живых организмах. Нитронилнитроксильные радикалы находят применение и в контролируемой радикальной полимеризации. Она позволяет получать полимеры с узкой дисперсностью, т.е. с одинаковым, очень узким распределением полимеров по длине цепи. Как следствие, такие полимеры обладают специфическими свойствами, которые могут быть выгодны промышленности. Работа была начата в кооперации с Университетом Прованса в Марселе. Французские ученые обратились к сибирским коллегам с просьбой измерить константы скорости присоединения синтезированных ими радикалов к полимерам. Основанные на спиновой химии высокочувствительные методы, разработанные в МТЦ СО РАН, позволяют это делать. Пока это чисто фундаментальная наука, но практические приложения не за горами. Новые теоретические подходы в спиновой химии разрабатывает группа, которой руководит д.ф.-м.н. Никита Лукзен. В центре внимания группы — влияние магнитных полей на протекание радикальных реакций. Это достаточно сложная теоретическая проблема, в тонкости которой наш собеседник углубляться не стал, но эффектным примером порадовал. Совместно с коллегами из ИХКиГ специалисты Томографического центра работают в рамках гранта Министерства здравоохранения Дании. Тема — исследование влияния сотовых телефонов на поражение клеток головного мозга. Известен механизм воздействия магнитных полей на химические радикальные реакции, открытый Р. Сагдеевым и Ю. Молиным с соавторами более тридцати лет назад. Датчане ставят задачу провести расчеты для полей, создаваемых сотовыми телефонами и ответить, насколько сильно эти магнитные поля влияют на организм человека. Хотя грант и датский, результаты исследований не станут эксклюзивной собственностью, но будут опубликованы в широкой печати. Вот мы и приблизились вплотную к медицинской тематике. Лаборатория медицинской диагностики готовится к установке томографа нового поколения. Под новый прибор за счет внебюджетных средств возведена пристройка к основному зданию, куда мы отправились на экскурсию под водительством заведующего лабораторией доктора медицинских наук Андрея Летягина. Здание уже полтора года подключено к отопительным сетям, успело хорошо высохнуть, что немаловажно для капризной электроники. Новый томограф будет стоять на площадке с усиленным фундаментом, поскольку весит около 4 тонн. Прибор въедет на постоянное место жительства через технологический проем, который потом будет заложен кирпичом вровень с остальной стеной. Снаружи тоже все готово: подъездные пути, пандусы, тротуары, елочки… Летом будет много цветов и даже птиц. Для работы на новой установке подготовлен квалифицированный персонал. Предполагается, что объект вступит в строй к концу года, о чем наша газета непременно расскажет. История медицинской томографии в Новосибирске ведет отсчет с 1986 года. Начиналось все с низкопольного прибора мощностью 0,28 Тесла, который впоследствии был передан Томоцентром в 1-ю больницу скорой помощи, где он и продолжает работать до сего дня. Приборы первого поколения были электромагнитными, а не сверхпроводящими, и применялись преимущественно для обследования головы и позвоночника, поскольку эти части тела легче зафиксировать без движения. Потом пошли приборы второго поколения — среднепольные (0,5 Тесла). Таких в Новосибирске было всего два: в Томографическом центре и в областной больнице. Магнитное поле последнего по каким-то причинам не удалось удержать, поэтому остался один. Он исправно работает в Центре с 1996 года и будет трудиться еще долго. Машина вполне подходит для достаточно продвинутых клинических исследований — на ней можно исследовать человека с головы до пят, получая изображение очень хорошего качества. Имеются также результаты высокого научного уровня. Например, впервые удалось в динамике увидеть работу желчных и мочевыводящих путей, лимфатических коллекторов. На сегодняшний день диагностическими услугами Центра воспользовались более 60 тысяч пациентов. Цена исследования — 1900 рублей — самая низкая для среднепольных томографов в России. Полуторатесловый прибор, прибытия которого с нетерпением ожидают специалисты — представитель третьего, высокопольного поколения томографов. Возможности новой установки несравненно больше, и надежды на нее велики. Так, если сегодня персоналу приходится перекладывать пациента вручную, в новом приборе человек будет медленно проезжать через магнит-рампу на специальном столе, а компьютерные программы потом «сложат» все снимки в один пакет. Не следует забывать, что новый прибор предназначен и для научных исследований: с использованием прежде всего прицельной спектроскопии тканей организма — головного мозга, сердца, печени, мышц — будет возможным отслеживать распространение и действие лекарств в организме, проводить оценку тонких нарушений функционирования органов и кровеносных сосудов. Фото Владимира Новикова стр. 4-5