Как нам реорганизовать MRI

Кроется за этим довольно сложная физика, которую мы сейчас попробуем объяснить, что называется, на пальцах. А объяснить нужно, потому что тогда вы сможете оценить, какое замечательное и многообещающее усовершенствование этого самого MRI придумали недавно американские ученые и почему нам всем, страдальцам от медицины, от этого усовершенствования в недалеком будущем станет значительно лучше.

Итак, о протонах. У них есть одно физическое свойство, которое называется магнитный момент. Иными словами, протон представляет собой как бы маленький магнитик с двумя полюсами. Такое свойство есть и у многих других микрочастиц – у электрона, нейтрона и так далее. Поскольку протоны и нейтроны образуют ядра всех атомов, то в этих ядрах магнитные моменты протонов и нейтронов могут быть направлены в одну и ту же сторону, а могут – в противоположные (такое вот свойство микромира). Поэтому, например, у кислорода, общий магнитный момент ядра получается ноль, и его ядро не реагирует на внешнее магнитное поле.

А вот у азота или, там, углерода – не ноль, так что они, как говорят, «магнито-чувствительны». Но водород – самый подходящий для магнитного воздействия, особенно водород атомарный: ведь у него ядро состоит из одного-единственного протона. Поэтому водород весьма чувствителен к внешнему магнитному полю. В нормальном состоянии, т.е. пока нас не уложили в соленоид ЭмЭрАй, компасные стрелки всех наших атомов водорода смотрят – в силу беспорядочного теплового движения - в самые разные стороны, так что наша суммарная намагниченность равна нулю.

Но когда техник в больнице включает соленоид, внешнее магнитное поле тут же частично одолевает тепловое движение и заставляет часть протонов направить свои стрелки по силовым линиям этого поля. Происходит, как говорят физики, поляризация протонов, т.е. повышается их упорядоченность в одном направлении. И от этого в любом участке задумчиво лежащего в соленоиде тела появляется небольшая суммарная намагниченность. Причем, поскольку внешнее поле чуть-чуть спадает от головы к ногам, то и намагниченность наша тоже чуть-чуть разная вдоль нашей длины.

Пока понятно? Тогда идем дальше. Дальше врач включает второй электромагнит, много слабее первого, который создает вокруг пациента второе магнитное поле, перпендикулярное первому. Это поле, в отличие от первого, переменное – оно то и дело меняет направление на противоположное. Из-за этого магнитики поляризованных протонов приходят в движение: их магнитная стрелка начинает описывать конус вокруг оси второго поля. Это вращение называется «прецессия». Если второе поле меняет направление в такт с этой частотой, наступает резонанс (физики называют его «ядерным магнитным резонансом»): амплитуда прецессии растет и протоны начинают излучать энергию с этой частотой. У протонов частоты такой резонансной прецессии лежат в радиодиапазоне. Окружив небольшими антеннами тело пациента, можно уловить это излучение, а затем компьютер MRI-установки произведет (по определенной программе) преобразование всех таких сигналов в световые точки разной яркости, которые заполнят экран, создавая картину распределения воды в разных точках тела пациента. А так как концентрация воды в разных органах, как мы уже сказали, разная, то разные органы будут и светиться по-разному. Так возникает контрастная картина внутренних органов, позволяющая врачам судить о их медицинском состоянии. Причем не прибегая к ионизирующему излучению, как это необходимо, скажем, в методе СиТи.

К сожалению, разрешающая способность MRI имеет предел. Излучение протонов во время прецессии невелико. И продолжается недолго. Так что в целом порция излученной энергии оказывается слишком малой. А именно от нее зависит, разглядит ли прибор мелкие детали организма. Далее - таким манером не увидишь организм, так сказать, в процессе. А между тем это зачастую оказывается весьма желательным. Разные болезни по-разному нарушают обмен веществ, и если бы метод MRI позволял следить за процессом метаболизма, врачи могли бы точнее дифференцировать болезни. Они и сегодня пытаются это сделать – с помощью многократных снимков тела (или органа) через короткие промежутки времени. Но понятно, что это грубое упрощение.

Оказывается, однако, что существует способ существенно усилить излучение протонов. Способ этот, именуемый «гипер-поляризацией», известен давно, но до сих пор его не удавалось использовать в медицине. И вот недавно в журнале Science Advances появилась статья американских биохимиков, которые это усовершенствование осуществили. В их экспериментальной установке специально приготовленные молекулы, введенные в организм больного, в ходе вышеописанной процедуре MRI выдают в 10 тысяч раз (!) больше энергии, чем обычные протоны, и притом не за секунду, а за часы.

Как же было получено такое фантастическое усиление?

Как мы видели, причина слабости MRI-эффекта состоит в том, что излучение протонов невелико. Увеличить порцию энергии, выдаваемой каждым отдельным протоном при его резонансной прецессии, невозможно, потому что это врожденная характеристика протона. Но поскольку атомов водорода в каждом микрообъеме тела миллионы, то, увеличив число участников прецессии, можно было бы увеличить и их суммарное излучение. Но, как мы уже видели, под воздействием соленоида поляризуется лишь ничтожная часть всех протонов – остальным мешает тепловое движение. А повысить силу поля в соленоиде так, чтобы полностью одолеть тепловое движение, нельзя – такое поле убьет пациента.

Но, к счастью, законы физики микромира говорят, что в одних и тех же условия электроны поляризуются (выстраиваются по полю) в тысячи раз эффективнее, чем тяжелые протоны. И как показал еще в 1950-е годы физик Оверхаузен, при определенных условиях (сверх-низкая температура и интенсивное микроволновое облучение) электроны, сталкиваясь с протонами, способны передать им поляризацию своих магнитных стрелок, что сделает коллектив протонов «гипер-поляризованным» (много большее их число выстроится по полю, хотя само поле останется прежним).

Этот метод т.н. «динамической ядерной гипер-поляризации» уже нашел применение в ряде физических исследований. Но для медицинских целей он не подходит. Установки такого рода стоят миллионы долларов (нынешняя установка MRI стоит тысячи), да и охлаждать тело пациента до сверхнизких температур никто не подумает. Однако ученые Дюкского университета (Северная Каролина, США) пошли по другому пути. Оказывается, гипер-поляризацию можно осуществить также с помощью т.н. пара-водорода. Помните, мы говорили, что магнитные стрелки двух ядерных частиц могут быть параллельны или анти-апараллельны. В молекуле водорода два атома водорода, т.е. два протона. У каких-то молекул стрелки этих протонов устанавливаются параллельно и их суммарный магнитный момент становится равен 1, у других они устанавливаются анти-параллельно, и суммарный момент получается 0. При комнатной температуре молекул второго рода всего 25%, но если охладить молекулярный водород жидким азотом (до 70К) и внести в него катализатор (окись железа), то пара-молекул станет уже 50%, а при температуре 20К – все 100%. Такой водород называется гипер-поляризованным пара-водородом. Если теперь смешать его с органическими молекулами, содержащими атомы углерода или азота, и подобрать подходящий катализатор, этот пара-водород отдаст свою гипер-поляризацию этим атомам.

Ученые из Дюка нашли такое азотисто-углеродную молекулу диазарин, которая легко перенимает гипер-поляризацию пара-водорода и в результате начинает прецессировать и светиться в условиях наложения двух внешних магнитных полей (постоянного и перпендикулярного ему переменного резонансного). Свечение молекул диазарина оказалось в десять тысяч раз мощнее и в тысячу раз дольше, чем резонансное свечение молекул воды в приборах MRI.

Присоединив небольшие молекулы диазарина к большим молекулам органических веществ, исследователи сумели проследить за биохимическими процессами, в которых участвуют эти органические вещества. Яркие «лампочки» диазариновых меток наглядно показывали экспериментаторам все детали движения, слияния и разделения изучаемых молекул. Можно думать, что такие метки с той же эффективностью покажут это и в условиях человеческого тела. И можно надеяться, что новый метод удастся использовать для много более яркого, а значит, и много более четкого, чем в обычном MRI, свечения молекул воды. И тогда возможности MRI усилятся многократно.

*********************************************************************************************

ХРОНИКА

Американские ученые (Франки Хейвард и др.), изучив ДНК из мозга страдавших ожирением мышей, доказали, что ожирение вызывает т.н. «эпигенетические» изменения в генах, заведующих памятью. Эти изменения представляют собой появление в ДНК нейронов мозга особых химических групп (метила и гидроксиметила), которые искажают работу «генов памяти». В опытах по прохождению лабиринта такие мыши действительно демонстрируют заметное ухудшение пространственной памяти.

*****************************************************************************

Проведя эксперимент на 134-ти пациентах, ученые из Йоркшира, Великобритания, показали, что витамин D положительно влияет на состояние людей, страдающих сердечной недостаточностью, улучшая способность сердца к кровоснабжению организма. Ежедневный прием 100 микрограмм витамина Д увеличил этот показатель работы сердца на 24-36%. Однако механизм этого явления выяснить пока не удалось. Не удалось выяснить также возможные побочные осложнения.

*****************************************************************************
Группа ученых из Стэнфорда (Ф.Мендес и др.) произвела первый в своем роде анализ мужской половой хромосомы (Y), выделенной из скелета неандертальца. Анализ показал, что гены из этой хромосомы (в отличие от других) по непонятным причинам не перешли к человеку или, если перешли, то давно распались. Тот же анализ показал также, что последний общий предок людей и неандертальцев жил около 550 тысяч лет назад (анализ по т.н. митохондриальной хромосоме давал даты между 400 и 800 тысяч лет назад).

*****************************************************************************

Швейцарские ученые Мордасини и Линдер проанализировали возможную эволюцию «Девятой планеты», которая, по недавней гипотезе, скрывается «на задворках» Солнечной системы, и определили, что, родившись с массой в 10 земных, она, в силу излучения, недостаточно компенсируемого притоком тепла от Солнца, уменьшилась сейчас до 3.7 радиусов Земли, имеет температуру в 470К и продолжает излучать свое внутреннее тепло в инфракрасном диапазоне, т.е. ее следует искать с помощью инфракрасных телескопов.

Рафаил Нудельман
"Окна", 11.8.2016