Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Применение магнитно-резонансной томографии и спектроскопии для характеристики функциональных и метаболических изменений мозга в ранний восстановительный посткоммоционный период

ВАК РФ 03.03.01, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Применение магнитно-резонансной томографии и спектроскопии для характеристики функциональных и метаболических изменений мозга в ранний восстановительный посткоммоционный период"

Ма правах рукописи

ДРОЗДОВ Константин Анзтольспич

ПРИМЕНЕНИЕ МАГИКТНО-РЕЗОН АНСНОЙ ТОМОГРАФИИ И СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ МОЗГ А В РАННИЙ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПОСТКОММОЦИОННЫЙ ПЕРИОД

03.03.01 - физиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

5 ДЕК 2013

Санкт-Петербург 2013

005542776

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Тихоокеанский институт биоорганической химии им. Г.Б. Елякоза Дальневосточного отделения Российской академии наук

Кириллов Олег Иванович

доктор медицинских наук, профессор

Чернышева Марина Павловна

доктор биологических наук профессор кафедры общей физиологии, Санкт-Петербургский государственный университет Хожай Людмила Ивановна доктор биологических наук ведущий научный сотрудник лаборатории онтогенеза нервной системы ФГБУН Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН

Институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета ^

Защита состоится « 2013 г. в часов на заседании

Диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.020.01 при Институте физиологии им. И.П. Павлова РАН по адресу: 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, д.6

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН (Санкт-Петербург, наб. Макарова, д.6).

ял/к/

Автореферат разослан «_»/_2013 г.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

'ЗА//

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Н.Э. Ордян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В последние годы наблюдается активный рост числа экспериментальных исследований в области физиологии головного мозга, выполняемых на мелких лабораторных животных (крысах и мышах) с использованием магнитно-резонансной (MP) томографии (Bayly et al., 2006; Barth et al., 2007; Исаев и др., 2008; Силачев и др., 2009; Bouilleret et al., 2009). MP-томография впервые позволила осуществлять высокоточную прижизненную диагностику характера и местоположения очага раздражения без вскрытия черепной коробки, оперативно производить сопоставление структурных и неврологических изменений, а также выполнять длительное наблюдение развития процессов на одном и том же животном (Черемисин и др., 2001; Труфанов и др., 2002). С другой стороны, использование MP-томографии в экспериментальных исследованиях имеет много нерешённых проблем, одной из которых является извлечение из полученного материала информации не только о структурных, но и функциональных изменениях, происходящих в головном мозге.

Под функциональной MP-томографией в большинстве случаев понимается оценка активности отдельных зон головного мозга по интенсивности локального кровотока (Bellivea et al., 1990; Frahm et al., 1992; Leite et al., 2004). По аналогии, к разряду функциональной, могут быть отнесены диффузионная и перфузионная MP-томографии, регистрирующие движение межклеточной жидкости (Chandra et al., 1999; Ринк, 2003; Труфанов и др., 2004). Кроме того, определение функциональных характеристик производится путем комбинации MP-томографии с МР-спектроскопией (Kintner et al., 2000; Фокин и др., 2005), а также в сочетании с другими физическими методами, например с X-ray флуоресцентной спектроскопией (Serpa et al., 2006) и методами биохимического анализа (Barone et al., 1991; Lenhard et al., 2008).

Основное число MP-исследований головного мозга у мелких лабораторных животных выполнено на моделях экспериментальной ишемии (Fukuchi et al., 1999; Abraham et al., 2002; Mayzel-Oreg et al., 2004; Ma et al., 2006). В этом отношении изменения, возникающие вследствие черепно-мозговой травмы, которые являются объектом данной диссертационной работы, изучены в гораздо меньшей степени (Henninger et al., 2007; Immonen et al., 2009; Bouilleret et al., 2009). В физиологическом плане оба типа повреждений представляют собой очаги локальной гипоксии мозговой ткани, сохранение которой определяется возможностями восстановления снабжения кислородом и глюкозой поврежденных участков, состоянием систем антиоксидантной защиты и резервом эндогенных биорегуляторов метаболизма (Dykens et al., 1998; Sengpiel et al., 1998; Jiang, Handa, 2007). Из числа последних в диссертации анализируется сроль -липоевой (6,8-дитиоктановой) кислоты, для которой в литературе описана антиоксидантная и нейротропная активность (Звягина, 2000; Аметов и др.,

2004; Береговский и др., 2005).

Приходится отметить, что в MP-томографах, предназначенных для работы с подопытными животными, используется более мощное, чем при клинических исследованиях, магнитное поле, которое обуславливает повышение разрешающей способности.

Это даёт новые возможности функциональной диагностике и позволяет изучать неблагоприятное влияние мощного магнитного поля на

биологические объекты.

Цель работы: анализ эффективности применения MP-томографии в комплексе с MP-спектроскопией и другими физическими и биохимическими методами для изучения структурных и функциональных изменений в головном мозге крыс, вызванных черепно-мозговой травмой.

Задачи исследования:

1. Определить вид, размер, локализацию и частоту структурных нарушений, вызванных в головном мозге крыс черепно-мозговой травмой и сопоставить динамику их изменений на Т2-томограммах в течение недельного периода после травмы.

2. С помощью комбинации MP-томографии с X-ray флуоресцентной спектроскопией произвести точечное измерение содержания микроэлементов в различных участках поврежденной мозговой ткани.

3. Разработать способ определения интенсивности микрососудистого кровотока с использованием фазоконтрастной ангиографии.

4. Изучить влияние а-липоевой кислоты на течение черепно-мозговой травмы и сопоставить полученные результаты с состоянием М?-позитивных капилляров в зоне отёка головного мозга травмированных крыс.

5. Определить степень неблагоприятного действия мощного магнитного поля (7 Тл) исследовательского томографа на альтернативные модельные объекты: сперматозоиды, яйцеклетки, гаметы и личинки морских ежей.

Научная новизна. Путем комбинации MP-томографии с МР-спектроскопией показано, что параллельно структурным изменениям, регистрируемым в головном мозге, в плазме крови и моче травмированных крыс происходит увеличение концентрации лактата. С помощью комбинации MP-томографии с X-ray флуоресцентной спектроскопией установлено накопление Fe и Са в области гематомы и уменьшение содержания Р, S, Zn и Rb в зоне перифокального отёка. Описаны кривые нормализации структурных изменений, вызванных черепно-мозговой травмой, в течение двухнедельного посткоммоционного периода. Разработан и запатентован способ определения интенсивности локального микрососудистого кровотока в мозговой ткани, относящийся к разряду функциональной томографии. Установлено, что а-липоевая кислота, являющаяся биогенным регуляторам аэробного окисления глюкозы,

препятствует развитию структурных и функциональных изменений, вызываемых черепно-мозговой травмой. На модели половых клеток и эмбрионов морского ежа продемонстрирована высокая степень безопасности магнитного излучения мощностью 7 Тл для биологических объектов.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, расширяют представления о теоретических основах применения МР-томографии в комплексе с МР-спектроскопией и другими аналитическими методами для анализа характеристики структурных и функциональных изменений в головном мозге мелких лабораторных животных при действии повреждающих факторов. Результаты анализа взаимосвязей между мощностью магнитного поля, качеством изображений и шириной спектра доступных операций имеют существенное значение для разработки технических решений, направленных на повышение объёма получаемой информации. Автором диссертации запатентован способ оценки функциональной активности локальных участков мозговой ткани (патент № 2409319, от 19.10.2009, "Неинвазивный способ определения интенсивности микрососудистого кровотока"). Сформулированные рекомендации внедрены в группе ЯМР ТИБОХ и на кафедре анестезиологии и реаниматологии Владивостокского государственного медицинского университета.

Основные положения, выносимые па защиту:

1. Комбинация МР-томографии с МР-спектроскопией и другими аналитическими методами позволяет производить более эффективное определение функционального состояния локальных участков головного мозга интактных и травмированных крыс.

2. Благодаря высокой мощности исследовательского томографа, удается осуществить прямое измерение микрососудистого кровотока в мозговой ткани методом фазоконтрастной ангиографии.

Личный вклад автора. Планирование исследований, подбор и анализ литературы, проведение экспериментов, МР-томография, статистическая обработка результатов выполнены лично автором. Фамилии соавторов участвующих в проведении биохимических и гистологических анализов указаны в названии статей.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на конференции "Медицинская физика и новейшие медицинские технологии" (Владивосток, 30-31 мая 2005), VIII Тихоокеанской научно-практической конференции студентов и молодых учёных с международным участием (Владивосток, 19-20 апреля 2007), IV Научно-практической конференции «Методы неинвазивной диагностики в медицине и биологии» (Владивосток, 17 июня 2008), XII Всероссийской молодежной школе-конференции по актуальным проблемам химии и биологии, МЭС ТИБОХ (Владивосток, 7-14 сентября 2009), VI Региональной научной конференция «Фундаментальная наука - медицине» (Владивосток, 2 июня 2011), Международной научно-практической конференции «Фармацевтические и медицинские биотехнологии (Москва, 20-22 марта 2012), I Всероссийской научной конференции "Современные исследования в биологии" (Владивосток, 25-27 сентября 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, один патент на изобретение в сфере «медицина», приравниваемый к публикации в рецензируемых изданиях.

Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 126 страницах компьютерного набора. Она содержит введение, обзор литературы, характеристику использованных методов, глав собственных исследований, обсуждение, заключение, выводы. Текст иллюстрирован 6 таблицами и 35 рисунками. Список цитированной литературы включает

наименование 196 первоисточников, из которых 72 составляют работы отечественных и 124 зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Материалы и методы исследования

Исследование выполнено на 152 самцах беспородных белых крыс (Rattus norvégiens) массой тела 250-280 г, содержащихся в условиях вивария Тихоокеанского института биоорганической химии ДВО РАН. Животные были размещены по три особи в клетке и получали общевиварный рацион. Условия вивария соответствовали нормам содержания лабораторных животных (Западнюк и др., 1974). Опыты производили с соблюдением этических норм и рекомендаций, отраженных в "Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других научных целей" (Страсбург, 1985). Программа исследований одобрена этическим комитетом ГОУ ВПО ВГМУ Росздрава (протокол № 14 по делу №82 от 22.06.2006 г.).

При проведении экспериментов на лабораторных животных руководствовались приказом № 755 Министерства здравоохранения СССР от 12 августа 1977 года "О мерах по дальнейшему совершенствованию организационных форм работы с использованием экспериментальных животных". Все манипуляции осуществлялись под анестезией.

Черепно-мозговую травму получали по модифицированному нами методу Т.Ф. Соколовой и Ю.В. Редькина (1986). Ударное устройство представляло собой полую трубку, подвижно закрепленную на вертикальной стойке. На нижнем конце трубки расположен боёк, который приводился в движение грузом, падающим с высоты 1 м и весом 200 г, площадь удара составляла 3,14 мм2. Удар наносился крысам, наркотизированным смесью рометара и дроперидола, в область проекции правой височной доли.

MP-сканирование головного мозга выполняли на томографе Pharmascan us 70/16, предназначенном для работы на мелких лабораторных животных (Bruker, Германия). Прибор имеет резонансную частоту для протонов 300 Мгц и мощность магнитного поля 7 Тл. Для визуализации изображений использовали два режима работы: Т2-взвешенную томографию (протокол head-rare) и трехмерную фазоконтрастную ангиографию (протокол FLASH 3D). Тип и локализацию нарушений, установленных на МР-томограммах, контролировали гистологически с использованием световой и электронной микроскопии.

Для характеристики острой реакции организма на черепно-мозговую травму в крови и моче контрольных и травмированных крыс с помощью МР-спектроскопии определяли уровень лактата на ЯМР-спектрометре DRX-5 (Bruker, Германия) с резонансной частотой для протонов 500 Мгц.

Помимо этого, в заданных участках головного мозга производили точечное измерение содержания микроэлементов (P. S, К, Са, Fe и Zri) методом X-ray флуоресцентной спектроскопии. Для измерения микроэлементов использовали рентгенофлуоресцентный анализатор TXRF 8030С (FEI Company, Германия).

Недельное наблюдение развития черепно-мозговой травмы осуществляли путем поэтапного определения размера гематомы, перифокального отёка и внутримозговых желудочков на Т2-взвешенных изображениях головного мозга. Параллельно в соответствующие сроки измеряли диаметр, площадь обменной поверхности и плотность распределения капилляров микрососудистого русла на препаратах мозга, толщиной 50 мкм, инъецированных тушью или окрашивали на NADPH-диафоразу (Норе, Vinsent, 1989). Расчеты производились по методике С.М. Блинкова и Г.Д. Моисеева (1961).

В опытах с изучением биорегуляторного значениж -липоевой кислоты использовался коммерческий препарат Берлитион 300 (Berlithion 300), в

составе которого содержится этилендиаминовая соль альфа-липоевой кислоты (388 мг последней эквивалентно 300 мг альфа-липоевой кислоты). Производитель - «Берлин-Хеми АГ/Менарини Групп», Германия. Препарат вводился в дозе 10 мг/кг в хвостовую вену один раз в сутки в течение недели. Показателем эффективности служила скорость рассасывания гематомы и перифокального отёка.

Степень безопасности магнитного поля (7 Тл) исследовательского томографа Pharmascan для биологических объектов производилось на модели половых клеток морского ежа Strongylocentrotus intermedius (А. Agassiz, 1863).

Статистическая обработка результатов. Количественные результаты всех экспериментов обработаны статистически. Для характеристики признаков определяли их среднюю величину (М), стандартное отклонение (а) и ошибку средней (ш). При построении динамических рядов параметров использовали метод тривиального нивелирования показателей (Krull, 1932).

Оценку статистической достоверности различий производили по Т-критерию Стьюдента, расхождение считали значимым при р < 0,05.

Проведение расчетов осуществляли с помощью компьютерной программы Statistica 6 и Microsoft Excel 2002.

Результаты исследования и их обсуждение

Головной мозг интактных крыс. На Т2-томограммах, полученных с помощью протокола head-rare, мозговая ткань интактных крыс визуализировалась как субстанция, имеющая однородную оптическую плотность средней интенсивности. Поскольку на Т2-взвешенных изображениях интенсивность сигнала пропорциональна количеству протонов в ткани, твёрдая и мягкая мозговые оболочки, являющиеся соединительно-тканными структурами с невысоким содержанием протонов, отображались как образования с более низкой оптической плотностью. В

отличие от этого кожа, покрывающая череп, которая богата подкожным жиром и пронизана множеством сосудов, давала яркий МР-сигнал.

Рис. I. MP-томограммы интактной крысы а сагиттальной (а) и аксиальной (б) проекции. Обозначения: т - теменная доля, м - мозжечок, п - продолговатый мозг.

MP-томограмма интактной крысы в сагиттальной и аксиальной проекции представлена на рисунке 1. На изображениях 1а и 16 стрелками отмечена система мозговых желудочков. Пунктирная линия на сагиттальной проекции соответствует дистальной части мозжечка. На аксиальном срезе, проведённом через указанную линию, хорошо визуализируются I, II и III мозговые желудочки.

MP-ангиография, выполняемая в режиме FLASH 3D, даёт возможность производить наблюдения расположения и состояния крупных сосудов головного мозга. Расположение крупных сосудов в правом и левом полушарии головного мозга интактных крыс было симметричным, а отличие их ширины и оптической плотности не выходило за пределы статистической погрешности.

Одним из основных условий планирования эксперимента является наблюдение за тем, чтобы в него не попали животные со скрытыми патологическими нарушениями, что может исказить результаты. Из числа

обследованных интактных животных при проведении первичной МР-томографии у трёх крыс в затылочной области было обнаружено образование, напоминающее субарахноидальную гематому, которое могло явиться результатом случайной травмы или геморрагического инсульта, вызванного естественными причинами. Кроме того, встречено одно животное с аномальным развитием мозговых желудочков. Поскольку указанные нарушения не имели внешних проявлений и крысы не выделялись из общей массы, МР-томографию можно рассматривать как способ обнаружения и своевременной выбраковки больных животных.

Острая реакция на черепно-мозговую травму. Нанесение механического удара по поверхности черепа в зону проекции правой височной доли вызывало в соответствующем участке повреждение тканей головного мозга и деформацию свода черепа, затем следовало развитие внутримозговой гематомы и перифокального отёка.

Рис. 2. МР-томограммы головного мозга интактной (а) и травмированной (б) крыс в аксиальной проекции. Обозначения: Г — гематома, О - отёк.

Внутримозговые гематомы визуализировались в виде участков неправильной формы с пониженной оптической плотностью. Поскольку на начальном этапе развития гематомы основной формой гемоглобина является оксигемоглобин, который не изменяет продолжительности Т1 и Т2 релаксации, многие авторы считают использования МР-томографии для выявления гематомы в данный период нецелесообразным (Туркин и др., 1996; Труфанов, Рамешвили, 2007). Судя по полученным нами результатам,

возможности исследовательского томографа РЬаппавсап позволяют обнаружить внутримозговую гематому уже спустя 15 мин после травмы, что подтверждает мнение о зависимости временного разрешения визуализации изображений от мощности и однородности магнитного поля (Ринк, 2003).

В отличие от гематомы перифокальный отёк визуализировался как зона повышенной оптической плотности. Он начинал выявляться через 3 ч после черепно-мозговой травмы и на первом этапе имел вид тонкой светлой полоски между гематомой и интактными тканями мозга.

Еще одним показателем, отражающим на Т2-взвешенных томограммах реакцию на черепно-мозговую травму, служило уменьшение размера внутримозговых желудочков. По предложению ряда авторов (Зудин, 2005) наблюдаемый эффект может рассматриваться в качестве косвенного индикатора повышения внутричерепного давления, поскольку благодаря последнему, осуществляется сдавливание мозговых желудочков с компенсаторным выталкиванием ликвора в спинной мозг. В описываемых опытах в течение первых суток после травмы площадь мозговых желудочков сокращалась с 0,084±0,002 до 0,023±0,002 см2 (р<0,001).

Развитие структурных изменений в правой височной доле головного мозга у четверти травмированных крыс сопровождалось избирательным нарушением моторной функции, которое выражалось появлением круговых движений в левую сторону. С другой стороны, дополнение МР-томографии ЯМР-спектроскоиией позволило установить, что в остром периоде, наряду с локальной реакцией в мозге, у травмированных крыс происходит увеличение концентрации молочной кислоты в плазме крови и моче (Рис. 3), отражающее активацию неспецифических стрессорных механизмов. Накопление молочной кислоты свидетельствует об ингибировании её конверсии в пировиноградную кислоту, и, следовательно, о наличии проблем с состоянием аэробного окисления.

Lactate

Рис. 3. '//ЯМР спектр сыворотки крови крысы. Обозначения: стрелкой указан пик, соответствующий лактату.

Путем комбинации MP-томографии с Х-гау флуоресцентной спектроскопией удалось произвести точечное измерение содержания микроэлементов в заданных участках травмированного мозга (Рис. 4). Как следует из таблицы 1, содержание всех микроэлементов, за исключением Са, в неповрежденных участках мозга травмированных крыс было статистически достоверно меньше, чем в соответствующих областях мозга контрольных животных.

Таблица 1. Результаты Х-гау флуоресцентного анализа содержания микроэлементов (мг/г) в заданных участках головного мозга контрольных животных и через 24 ч после индукции черепно-мозговой травмы. (* - отмечены статистически значимые различия между экспериментальной и контрольной группами).

Вил элемента (мг/г) Участок мозга

Контроль Контралатеральное повреждению полушарие Отёк Гематома

Р 251,7±9,3 160,6±6,0* 76,67±5,7* 261,6±5,0

S 244,3±12,7 190,1±6,2* 148,6±7* 252,3±3,4

к 1224,2±68,6 850,8±90,6* 387,3±32,9* 1134,1±74,6*

Са 18±6,4 21,2±4,7 23,01±3,5 60,3±14,2*

Fe 10,1±1,5 9,8±0,1 6,45±0,6* 62,0±2,8*

Zn 35,1±7,2 19,26±5,8* 25,11±3,6 32,2±4,2

Область гематомы характеризовалась избирательным увеличением как Са, так и Ге. Что касается перифокального отёка, то в его зоне происходило снижение содержания всех исследуемых элементов, наиболее выражено падало содержание Р, Б и К.

Рис. 4 X-ray флуоресцентный спектр мозга крысы в зоне отёка (обозначено кругом).

Недельный мониторинг развития процессов. Недельное наблюдение показало, что, несмотря на приведение силы удара, вызывающего травму, в соответствии с диаметром черепа крыс, размеры гематомы и перифокального отёка у отдельных животных характеризовались существенной вариабельностью. Несмотря на это, путем нормирования показателей фактических значений признаков по средним цифрам, зарегистрированным через 3 ч после нанесения черепно-мозговой травмы (нормированный объем повреждения и стандартное отклонение: общий объем повреждения - 0,42 (0,04) см3, гематомы - 0,14 (0,06) см3, перифокального отёка - 0,28 (0,02) см3), удалось установить, что динамика изменений во всех случаях подчиняется общим закономерностям.

15мин Зч 6ч 24ч 3 сут 7 =ут

Рис. 5. Динамика изменений объема перифокального отёка в разные сроки после

черепно-мозговой травмы. Обозначения: по оси абсцисс - время, по оси ординат - объём повреждений (см3).

Рост гематомы, образовавшейся в первые минуты после нанесения травмы, продолжался до 6 ч, после чего шёл на убыль. Рассасывание гематомы носило линейный характер и завершалось к концу недели. Формирование перифокального отёка начиналось с первых минут после индукции черепно-мозговой травмы, но чётко визуализировалось спустя 3 ч. Размеры отёка достигали максимума на следующие сутки. В течение вторых и третьих суток объем перифокального отёка был стабилизирован на достигнутом уровне, в последующие сроки отмечалось его заметное снижение (Рис. 5).

Уменьшение мозговых желудочков, выявляемое у крыс после черепно-мозговой травмы, прогрессировало в течение суток, после чего их размер начинал восстанавливаться к концу первой недели почти достигая контрольного значения (Рис. 6).

Интересно, что если сокращение размера желудочков осуществлялось строго пропорционально суммарному росту гематомы и перифокального отёка, то нормализация опережала обратное развитие последних.

0,1

*

■ ■ ■ \ \ № -

а \ ......

л V X

« 3" /

с с ■ - т.....

контроль 15 мин 3 ч 6ч 24 ч 3 сут 7 сут

Рис. 6. Динамика изменений площади внутримозговых желудочков в аксиальной плоскости, прилегающей к дистальной части мозжечка, в разные сроки после черепно-мозговой травмы. Обозначения: по оси абсцисс - время, по оси ординат - площадь желудочков (см2).

Наряду с размером гематомы, перифокального отёка и внутримозговых желудочков недельное наблюдение развития изменений, вызываемых черепно-мозговой травмой, включало определение состояния микрососудистого русла. Оказалось, что реакция микрососудистого русла на травму наблюдается как в правом (травмированном), так и в левом (нетравмированном) полушарии. Согласно данным, полученным методом заливки сосудистого русла тушью, в обоих случаях на первые и третьи сутки после травмы отмечалось снижение диаметра капилляров, тогда как на седьмые сутки происходило увеличение диаметра, при этом изменения плотности капилляров носили инвертный характер. Определение диаметра капилляров гистохимическим методом по реакции на КАДФН-диафоразу дало близкие результаты.

I

Биорегуляторное значение а-липоевой кислоты.

О 15мин Зч 6ч 24ч 3 сут 7сут

Рис. 7. Динамика изменений объема перифокального отёка у контрольных ) и получавших а-липоевую () крыс в разные сроки после черепно-мозговой травмы. Обозначения: по оси абсцисс - время, по оси ординат - объём перифокального отёка (см3), * — точка статистического различия объёма отёка в контрольной группе и получавшей а-липоевую кислоту (3 сутки).

Внутрибрюшинное введение коммерческого препарата Берлитион 300, в состав которого входит а-липоевая кислота, обладающая антиоксидантной и нейрогропной активностью (Звягина, 2000; Аметов и др., 2004; Береговский и др., 2005), способствовало рассасыванию перифокального отёка у травмированных крыс в интервале от первых до седьмых суток (Рис. 7).

Функциональное состояние микрососудистого русла в отёке у травмированных крыс, не получающих а-липоевую кислоту на третьи сутки, соответствующие стабильному увеличению перифокального отека (Рис. 7), характеризуется статистически достоверным увеличением плотности Аппозитивных капилляров (314±22 мм в 1 й)л10 сравнению с контролем (209±14 мм в 1 мм1). В группе же получа вшей а-липоевую кислоту значение плотности А^О-позитивных капилляров на третьи сутки соответствует (268±22 мм в 1 мм*), что несколько выше, чем в контрольной группе, однако

статистически достоверно ниже чем в группе травмированных крыс не получавших а-липоевую кислоту.

В плане тематики диссертационного исследования при выполнении описанных экспериментов неизбежно возникает вопрос об оценке состояния микрососудистого русла с помощью фазоконтрастной ангиографии. В настоящее время фазоконтрастная ангиография используется исключительно для исследования циркуляции крови в крупных венах и артериях.

Оказалось, однако, что высокая мощность исследовательского томографа РЬагтавсап (7 Тл) обеспечивает необходимый контраст изображения, что позволило нам разработать и запатентовать "Способ неинвазивного определения интенсивности микрососудистого кровотока" (Дроздов, 2011).

Способ определения интенсивности микрососудистого кровотока с использованием фазоконтрастной ангиографии.

Рис. 8. МР-томограммы головы крысы с зоной повышенной микроциркуляции (обозначено стрелкой). Обозначения: а - взвешенная по Т2-томограмма, б -томограмма, полученная методом фазоконтрастной ангиографии в режиме псевдоцвет (рсеи<1осо1ог).

В настоящее время фазоконтрастная ангиография достаточно широко используется для определения кровотока в крупных артериях и венах. На момент разработки изобретения, информации об использовании фазоконтрастной ангиографии с целью определения микрососудистого кровотока в литературе не было. Обычно данные, полученные с помощью фазоконтрастной ангиографии, не представляют самостоятельной диагностической ценности (Холин, 2007), а используются только совместно с технологией MIP (Maximum Intensity Projection).

Рис. 9. Фотографические снимки гистологических срезов головного мозга крысы полученные методом заливки сосудистого русла тушью. Обозначения, а - контроль, б - участок с повышенной микроциркуляцией.

Однако оказалось, что высокая мощность исследовательского томографа РЬагтавсап (7 Тл) обеспечивает необходимый контраст изображения без предварительной обработки. Это позволяет параллельно с ангиографией крупных сосудов проводить исследования функционального состояния микрососудистого кровотока. На рисунке 8 показаны МР-томограммы головного мозга крысы с участком повышенной микроциркуляции (отмечено стрелкой). На Т2-взвешенной томограмме (Рис. 8, а) хорошо дифференцируется зона отёка, однако в этом режиме невозможно установить причину повышенной оптической плотности (цитатоксический отёк, киста). Однако на томограмме, полученной в режиме фазоконтрастной

ангиографии, точно можно установить, что зона повышенной оптической плотности на Т2-взвешенной томограмме соответствует зоне повышенной микроциркуляции (Рис. 8, б), что подтверждается при проведении гистологических исследований (Рис. 9, б).

Влияние магнитного поля исследовательского томографа РИагтаясап на половые клетки морского ежа. У помещённых в камеру МР-томографа РИагтаэсап с постоянным магнитным полем (7 Тл) сперматозоидов, яйцеклеток, эмбрионов морского ежа Б1го}щу1осеп1го1т ШегтесИш на разных стадиях дробления, вплоть до средней бластулы, не было выявлено отличий по сравнению с контролем (Рис. 8, а). Однако помещение в камеру томографа зигот, спустя одну минуту после начала слияния гамет, приводит к нарушению процесса их слияния. Около 30% яиц слипаются друг с другом и далее не развиваются. У остальных 70% яиц формируется оболочка оплодотворения, и происходит деление дробления, но по сравнению с контролем (Рис. 10, а) скорость развития ниже, также отмечаются многочисленные примеры нарушения нормального дробления (Рис. 10, б).

Рис. 10. Эмбрионы морского ежа Strongylocentrotus intermedins, а - контроль, б - после облучения магнитным полем.

выводы

1. Мощное магнитное поле (7 Тл) исследовательского томографа обеспечивает высокое временное и пространственное разрешение МР-изображений структурных нарушений, вызванных черепно-мозговой травмой.

2. Согласно данным MP-спектроскопии, на '//-спектрах плазмы и мочи травмированных крыс регистрируется увеличение пика, соответствующего лактату, что служит индикатором развития острой стрессорной реакции.

3. По результатам X-ray флуоресцентной спектроскопии, в головном мозге травмированных крыс происходит увеличение содержания Fe и Са в области гематомы и снижение Р, S, Zn и Rb в зоне перифокального отёка.

4. Снижение объема внутримозговой гематомы происходит линейно, начиная с первых часов после индукции черепно-мозговой травмы, тогда как объём перифокального отёка, достигнув максимального уровня, стабилизируется на нём в течение двух-трёх суток и только затем подвергается обратному развитию. Восстановление размера желудочков осуществляется пропорционально уменьшению . суммарного размера гематомы и перифокального отёка.

5. Мощное магнитное поле исследовательского томографа (7 Тл), соответственно, высокое соотношение сигнал/шум позволяет производить прямое определение интенсивности микрососудистого кровотока в локальных участках мозга методом фазоконтрастной ангиографии.

6. Введение а-липоевой кислоты увеличивает скорость снижения посттравматического отёка мозга, а также препятствует росту плотности Аппозитивных капилляров в повреждённой мозговой ткани.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК

1. Дроздов К. А., Хлистун O.A., Дроздов А.Л. Влияние ультразвука и постоянного магнитного поля на гаметы, зиготы и эмбрионы морского ежа // Биофизика. - 2008. - Т. 53, № 3. - С. 513-518.

2. Клименко В.Е., Молдованов М.А., Полещук A.B., Андреева H.A., Балашова Т.В., Дроздов К.А., Дюйзен И.В., ИГуматов В.Б. Состояние капилляров микроциркуляторного русла головного мозга в остром периоде экспериментальной черепно-мозговой травмы // Общая реаниматология. -2010.-VI; 2.-С. 10-14.

3. Дроздов К.А., Полещук A.B., Клименко В.Е., Молдованов М.А. Исследование динамики развития повреждений мозга крыс при черепно-мозговой травме методом магнитно-резонансной томографии // Тихоокеанский медицинский журнал. - 2011. -№1. - С. 93-95.

4. Полещук A.B., Дроздов К.А., Андреева H.A., Балашова Т.В., Попова В.В. Влияние альфа-липоевой кислоты на состояние микроциркуляторного русла головного мозга при экспериментальной черепно-мозговой травме у лабораторных животных // Тихоокеанский медицинский журнал. - 2012. - № 4. -С. 41-44.

Патент

5. Неинвазивный способ определения интенсивности микрососудистого кровотока / Дроздов К.А. Патент РФ № 2409319. 2011. Бюлл. №2.

Работы, опубликованные в материалах конференций

6. Дроздов К.А., Дроздов А.Л. Влияние физических факторов (ультразвук, увч, квч, рентгеновское излучение, электромагнитное поле) на гаметы, оплодотворение, эмбриональное и личиночное развитие морских ежей // Медицинская физика и новейшие медицинские технологии, 30-31 мая 2005, Владивосток. 2005. С. 14-15.

7. Полещук A.B., Дроздов К.А., Тарасенко В.Е. Характеристика нитроксидергических капилляров в экспериментальной модели черепно-мозговой травмы у крыс // Материалы VIII-й Тихоокеанской научно-практической конференции студентов и молодых учёных с международным участием «Актуальные проблемы экспериментальной, профилактической и

клинической медицины», 19-20 апреля 2007, Владивосток. 2007. С. 30.

8. Тарасенко В.Е., Полещук A.B., Молдованов М.А., Андреева H.A., Балашова Т.В., Крыжановский С.П., Дроздов К.А. Реакция микроциркуляторного русла в экспериментальной модели черепно-мозговой травмы у крыс // Вестник интенсивной терапии, 2008, № 5 (приложение). С. 36.

9. Полещук A.B., Тарасенко В.Е., Молдованов М.А., Андреева H.A., Балашова Т.В., Крыжановский С.П., Дроздов К.А. Церебропотекторная терапия у больных с изолированной тяжелой черепно-мозговой травмой // Вестник интенсивной терапии, 2008, № 5 (приложение). С. 27.

Ю.Дроздов К.А., Полещук А. В. Ранняя диагностика черепно-мозговых повреждений с помощью магнитно-резонансной томографии // IV Научно-практической конференция «Методы неинвазивной диагностики в медицине и биологии», 17 июня 2008, Владивосток. 2008. С. 12-14.

11. Дроздов К.А. Исследование тяжелой ЧМТ у крыс методами МРТ и ЯМР // XII Всероссийская молодежная школа-конференция по актуальным проблемам химии и биологии, 7-14 сентября 2009, Владивосток. 2009. С. 48^19.

12. Дроздов К. А., Полякова Н.В., Полещук A.B., Клименко В.Е., Молдованов М.А. Исследование изменения концентрации химических элементов фосфора, серы, калия, кальция и цинка в головном мозге крыс в остром периоде экспериментальной черепно-мозговой травмы // Материалы VI Научно-практической конференции «Фундаментальная наука - медицине», 2 июня 2011, Владивосток. 2011. С. 44-46.

13. Дроздов К.А., Полякова Н.В., Клименко В.Е., Полещук A.B. Влияние а-липоевой кислоты на мозг крыс после тяжелой черепно-мозговой травмы // Международная научно-практическая конференция "Фармацевтические и медицинские биотехнологии", 20-22 марта 2012, Москва. 2012. С. 35-36.

14. Дроздов К.А. Современные исследования биологических объектов животного и растительного мира с помощью магнитно-резонансных методов // I Всероссийская научная конференция "Современные исследования в биологии", 25-27 сентября 2012, Владивосток. 2012. С. 94-96.

ДРОЗДОВ Константин Анатольевич

ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ И СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ МОЗГА В РАННИЙ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПОСТКОММОЦИОННЫЙ ПЕРИОД

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Зак. № 118. Усл. п. л. 1. Тираж 100 экз. Формат 60x84 1/16 Подписано в печать 25.09.2013 г. Печать офсетная с оригинала заказчика Отпечатано в типографии ООО "КОЛОРИТ" 690002, г. Владивосток, ул. Круговая 1-я, д. 25а тел. +7(423) 245-51-61 E-mail: office@pgcolorit.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Дроздов, Константин Анатольевич, Санкт-Петербург

На правах рукописи

Дроздов Константин Анатольевич 04201452492

ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ И СПЕКТРОСКОПИИ ДЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ МОЗГА В РАННИЙ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПОСТКОММОЦИОННЫЙ ПЕРИОД

03.03.01 - физиология Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

доктор медицинских наук, профессор О.И. Кириллов

Санкт-Петербург

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................6

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава 1. Использование магнитно-резонансных методов для характеристики структурных, функциональных и биохимических изменений в головном мозге крыс.......................................................10

1.1. Явление ядерно-магнитного резонанса.............................................10

1.2. ЯМР-спектроскопия биологических жидкостей................................12

1.3. МРТ в экспериментальных исследованиях головного мозга

крыс.............................................................................................13

1.4. МРТ в экспериментальных исследованиях головного мозга крыс.........14

Глава 2. Повреждения нейронов и механизмы саморегуляции....................15

2.1. Ишемия головного мозга крыс.......................................................15

2.2. Черепно-мозговая травма................................................................18

2.3. Локальная тканевая гипоксия..........................................................22

2.4. Физиологические и метаболические эффекты а-липоевой

кислоты...........................................................................................27

Глава 3. Степень неблагоприятного влияния постоянного магнитного

поля на биологические объекты...........................................................30

РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 4. Материалы и методы исследования............................................31

4.1. Экспериментальные животные.........................................................31

4.2. Модель черепно-мозговой травмы....................................................32

4.3. Магнитно-резонансная томография......................................................33

4.4. ЯМР-спектроскопия мочи и плазмы крови крыс....................................34

4.5. X-ray флуоресцентная томография.......................................................34

4.6. Гистологические методы....................................................................35

4.7. Оценка функциональной активности капилляров микрососудистого русла головного мозга..........................................................................36

4.8. Электронная микроскопия................................................................37

4.9. Модель определения степени опасности постоянного магнитного

поля для биологических объектов............................................................37

4.10. Методы статистической обработки результатов...................................38

Глава 5. Магнитно-резонансное исследование головного мозга интактных крыс...........................................................................................................................39

5.1. Магнитно-резонансная томография структур здорового

мозга крыс ............................................................................................39

5.2. Сосуды головного мозга крыс............................................................46

5.3. Желудочки головного мозга крыс......................................................47

5.4. Артефакты и отклонения от нормы......................................................48

Заключение к Главе 5...............................................................................51

Глава 6. Острая реакция головного мозга крыс на черепно-мозговую

травму................................................................................................53

6.1. Магнитно-резонансная томография структурных изменений....................53

6.2. Гистологическое исследование...........................................................56

6.3. Выживание крыс и моторная функция.................................................58

6.4. Стрессорная активация организма.......................................................58

6.5. Содержание микроэлементов в повреждённой мозговой такни................60

Заключение к Главе 6............................................................................64

Глава 7. Недельный мониторинг динамики развития изменений в головном мозге крыс после черепно-мозговой травмы................................ 65

7.1. Вариабельность посттравматических процессов..................................65

7.2. Последовательность изменения размера гематомы и перифокального отёка после черепно-мозговой травмы......................................................67

7.3. Динамика посттравматического изменения мозговых желудочков..........69

7.4. Состояние капилляров головного мозга..............................................72

7.5. Способ неинвазивного определения микрососудистого кровотока..........75

Заключение к Главе 7............................................................................79

Глава 8. Роль а-липоевой кислоты как биологического регулятора физиологической защиты тканей головного мозга крыс при черепно-

мозговой травме................................................................................80

Заключение к Главе 8.............................................................................................84

Глава 9. Влияние постоянного ультрамощного магнитного поля на

гаметы, зиготы и эмбрионы морского ежа...............................................84

Глава 10. Обсуждение результатов исследования.....................................86

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................100

ВЫВОДЫ........................................................................................103

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................104

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

MP - магнитный резонанс

МРА - магнитно-резонансная ангиография

МРТ - магнитно-резонансная томография

Т1-ВИ — Т1 взвешенные магнитно-резонансные изображения

Т2-ВИ - Т2 взвешенные магнитно-резонансные изображения

ЯМР - ядерно-магнитный резонанс

ТЕ (time echo) - время эхо

TR (time repetition) - время между возбуждающими импульсами FOV (field of view) - поле обзора St (slice thickness) - толщина слоя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. В последние годы наблюдается активный рост числа экспериментальных исследований в области физиологии головного мозга, выполняемых на мелких лабораторных животных (крысах и мышах) с использованием магнитно-резонансной (MP) томографии (Bayly et al., 2006; Barth et al., 2007; Исаев и др., 2008; Силачёв и др., 2009; Bouilleret et al., 2009). MP-томография впервые позволила осуществлять высокоточную прижизненную диагностику характера и местоположения очага раздражения без вскрытия черепной коробки, оперативно производить сопоставление структурных и неврологических изменений, а также выполнять длительное наблюдение развития процессов на одном и том же животном (Черемисин и др., 2001; Черемисин и др., 2002; Труфанов и др., 2002). С другой стороны, использование MP-томографии в экспериментальных исследованиях имеет много нерешённых проблем, одной из которых является извлечение из полученного материала информации не только о структурных, но и функциональных изменениях, происходящих в головном мозге.

Под функциональной MP-томографией в большинстве случаев понимается оценка активности отдельных зон головного мозга по интенсивности локального кровотока (Bellivea et al., 1990; Frahm et al., 1992; Leite et al., 2004). По аналогии, к разряду функциональной могут быть отнесены диффузионная и перфузионная МР-томографии, регистрирующие движение межклеточной жидкости (Chandra et al., 1999; Ринк, 2003; Труфанов и др., 2004). Кроме того, определение функциональных характеристик производится путём комбинации МР-томографии с MP-спектроскопией (Kintner et al., 2000; Фокин и др., 2005), а также в сочетании с другими физическими методами, например с X-ray флуоресцентной спектроскопией (Serpa et al., 2006) и методами биохимического анализа (Barone et al., 1991; Lenhard et al., 2008).

Основное число MP-исследований головного мозга у мелких лабораторных животных выполнено на моделях экспериментальной ишемии (Fukuchi et al., 1999; Abraham et al., 2002; Mayzel-Oreg et al., 2004; Ma et al., 2006). В этом отношении изменения, возникающие вследствие черепно-мозговой травмы, которые являются объектом настоящей диссертационной работы, изучены в гораздо меньшей степени (Metz et al., 2000; Henninger et al., 2007; Immonen et al., 2009; Shen et al., 2009; Bouilleret et al., 2009). В физиологическом плане оба типа повреждений представляют собой очаги локальной гипоксии мозговой ткани, сохранение которой определяется возможностями восстановления снабжения кислородом и глюкозой повреждённых участков, состоянием систем антиоксидантной защиты и резервом эндогенных биорегуляторов метаболизма (Dykens et al., 1998; Sengpiel et al., 1998; Jiang, Handa, 2007). Из числа последних в диссертации анализируется роль а-липоевой (6,8-дитиоктановой) кислоты, для которой в литературе описана антиоксидантная и нейротропная активность (Звягина, 2000; Аметов и др., 2004; Береговский и др., 2005).

Приходится отметить, что в MP-томографах, предназначенных для работы с подопытными животными, используется более мощное, чем при клинических исследованиях, магнитное поле, которое обуславливает повышение разрешающей способности. Это даёт новые возможности функциональной диагностике и позволяет изучать неблагоприятное влияние мощного магнитного поля на биологические объекты.

Цель работы: анализ эффективности применения MP-томографии в комплексе с MP-спектроскопией и другими физическими и биохимическими методами для изучения структурных и функциональных изменений в головном мозге крыс, вызванных черепно-мозговой травмой.

Задачи исследования: -

1. Определить вид, размер, локализацию и частоту структурных нарушений, вызванных в головном мозге крыс черепно-мозговой травмой и сопоставить динамику их изменений на Т2-томограммах в течение недельного периода после травмы.

2. С помощью комбинации MP-томографии с X-ray флуоресцентной спектроскопией произвести точечное измерение содержания микроэлементов в различных участках повреждённой мозговой ткани.

3. Разработать способ определения интенсивности микрососудистого кровотока с использованием фазоконтрастной ангиографии.

4. Изучить влияние а-липоевой кислоты на течение черепно-мозговой травмы и сопоставить полученные результаты с состоянием NO-позитивных капилляров в зоне отёка головного мозга травмированных крыс.

5. Определить степень неблагоприятного действия мощного магнитного поля (7 Тл) исследовательского томографа на альтернативные модельные объекты: сперматозоиды, яйцеклетки, гаметы и личинки морских ежей.

Научная новизна. Путем комбинации MP-томографии с МР-спектроскопией показано, что параллельно структурным изменениям, регистрируемым в головном мозге, в плазме крови и моче травмированных крыс происходит увеличение концентрации лактата. С помощью комбинации MP-томографии с Х-гау флуоресцентной спектроскопией установлено накопление Fe и Са в области гематомы и уменьшение содержания Р, S, Zn и Rb в зоне перифокального отёка. Описаны кривые нормализации структурных изменений, вызванных черепно-мозговой травмой, в течение двухнедельного посткоммоционного периода. Разработан и запатентован способ определения интенсивности локального микрососудистого кровотока в мозговой ткани, относящийся к разряду

функциональной томографии. Установлено, что а-липоевая кислота, являющаяся биогенным регуляторам аэробного окисления глюкозы, препятствует развитию структурных и функциональных изменений, вызываемых черепно-мозговой травмой. На модели половых клеток и эмбрионов морского ежа продемонстрирована высокая степень безопасности магнитного излучения мощностью 7 Тл для биологических объектов.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, расширяют представления о теоретических основах применения МР-томографии в комплексе с МР-спектроскопией и другими аналитическими методами для анализа характеристики структурных и функциональных изменений в головном мозге мелких лабораторных животных при действии повреждающих факторов. Результаты анализа взаимосвязей между мощностью магнитного поля, качеством изображений и шириной спектра доступных операций имеют существенное значение для разработки технических решений, направленных на повышение объёма получаемой информации. Автором диссертации запатентован способ оценки функциональной активности локальных участков мозговой ткани (патент № 2409319, от 19.10.2009, "Неинвазивный способ определения интенсивности микрососудистого кровотока"). Сформулированные рекомендации внедрены в группе ЯМР ТИБОХ и на кафедре анестезиологии и реаниматологии Тихоокеанского государственного медицинского университета.

Личный вклад автора. Планирование исследований, подбор и анализ литературы, проведение экспериментов, МР-томография, статистическая обработка результатов выполнены лично автором. Фамилии соавторов, участвующих в проведении биохимических и гистологических анализов, указаны в названии статей.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава 1. Использование магнитно-резонансных методов для характеристики структурных, функциональных и биохимических изменений в головном мозге крыс

1.1. Явление ядерно-магнитного резонанса

Известно, что элементарные частицы, входящие в состав атомов (электроны), вращаются вокруг ядра. Внутренний угловой момент этого вращения (спин) строго определён и является постоянной величиной. Благодаря наличию электрического заряда, вращающиеся элементарные частицы создают магнитное поле. Магнитное поле присутствует у всех атомных ядер с нечётным числом электронов. В

7 /i /о 13 Ol

исследовательских целях наиболее часто используются Н, С, F, N, Р. При чётном количестве электронов магнитное поле не создаётся из-за того, что электроны движутся в разных направлениях и их магнитные поля нивелируют друг друга. Ядро водорода 'Н имеет один непарный электрон, но его вращение является настолько быстрым, а содержание в тканях организма настолько высоко, что образуемое магнитное поле оказывается вполне измеримым.

Немногим больше, чем полвека назад, было установлено, что атомные ядра, обладающие магнитными свойствами, при помещении во внешнее магнитное поле способны поглощать энергию. При прекращении облучения ядер поглощённая энергия излучается в окружающее пространство, при этом напряжённость внешнего магнитного поля и частота возбуждающего электромагнитного импульса должны строго соответствовать друг другу (Bloch, 1946; Purcell et al., 1946).

Если в равновесном состоянии магнитные моменты протонов расположены хаотично, то при помещении во внешнее магнитное поле они ориентируются параллельно его направлению. Кроме этого, магнитные свойства протонов заставляют их прецессировать вокруг направления внешнего магнитного поля,

подобно тому, как это делает вращающийся волчок в отношении магнитного поля земли. Частота прецессии протонов (Ларморова частота) рассчитывается по формуле:

механических и магнитных свойств ядер, которое является постоянной величиной для каждого вещества, Во — напряжение внешнего магнитного поля.

При совпадении частоты возбуждающего электромагнитного импульса с частотой свободной прецессии протонов возникает явление ядерно-магнитного резонанса. Под влиянием радиочастотных импульсов резонансной частоты

суммарный вектор намагниченности протонов отклоняется на угол, зависящий от

/

времени воздействия импульса, в результате ядра переходят в возбуждённое

Возвращение вектора суммарной намагниченности к равновесному состоянию, сопровождающееся освобождением поглощённой энергии, обусловлено процессом релаксации, который оценивается константами времени Т1 и Т2. Релаксация Т1, или "спин-решётчатая релаксация", определяет взаимодействие магнитных полей ядер с окружающей средой и равна отрезку времени от момента прекращения воздействия возбуждающего импульса до восстановления 63,2% протонов. Релаксация Т2, или спин-спиновая релаксация, соответствует отрезку времени, в течение которого вектор намагниченности ядер в системе строго перпендикулярный направлению внешнего магнитного поля переходит к исходному состоянию у 36,8% частиц.

Описанное явление насыщения системы ядер энергией на резонансной частоте, а затем излучение этой энергии в окружающее пространство получило название ядерно-магнитного резонанса. Ядерно-магнитный резонанс лежит в основе двух

и0 = 7 В0

где

гиромагнитное отношение, характеризующее отношение

состояние.

методов изучения биологических процессов - ядерно-магнитной резонансной (ЯМР) спектроскопии и магнитно-резонансной томографии (МРТ) (Ринк, 2003; Неронов, Гарайбех, 2003).

1.2. Ядерно-магнитно резонансная спектроскопия биологических жидкостей

Энергия, излучаемая в окружающее пространство от системы возбуждённых резонансной частотой ядер, регистрируется устройством, настроенным на резонансную частоту ядер, которая заранее известна (см. выше). После преобразования полученного сигнала, например по Фурье (общепринятое преобразование для ЯМР) можно получить ЯМР-спектр. В этом спектре сигналы, полученные от одних и тех же ядер, дифференцированы по состоянию, в котором находятся.

В результате исследования ЯМР-спектра биологической жидкости высокого разрешения можно выявить сотни заболеваний (Abe, 1974; Nicholson, 2002). Использование специализированных маркёров позволяет, например, провести сравнительный анализ изменений в моче и плазме при токсическом воздействии (Nicholson et al., 1985; Ploemen, 2007). Подобные исследования получили распространение для изучения фиброза печени (Ian et al., 2002; Кручинина, 2006), се