Четыре года назад, во время эксперимента по магнитному резонансу с опухолевыми клетками, физик TUM доктор Франц Шиллинг обнаружил сигналы от молекулы, которая была очень чувствительна к изменениям pH. Молекула, которая была идентифицирована как зимоновая кислота в последующих исследованиях, может сыграть важную роль в будущем медицинской визуализации. В качестве биосенсора значений pH он может дать представление о организме, что в прошлом было невозможно.
«Подходящий метод визуализации pH позволит визуализировать аномальные изменения в тканях и, в частности, метаболические процессы опухолей», — объясняет Франц Шиллинг. Области, окружающие опухоли и воспаления, обычно немного более кислые, чем области, окружающие здоровые ткани, что, возможно, связано с агрессивностью опухолей. Шиллинг видит дальнейшие потенциальные применения в прогнозах лечения: «Значения pH также представляют интерес, когда дело доходит до оценки эффективности лечения опухолей. Даже до того, как успешно вылеченная опухоль начнет уменьшаться, ее метаболизм и, следовательно, значение pH окружающей области могут измениться.
Подходящий метод визуализации pH укажет на гораздо более раннем этапе, был ли выбран правильный подход ».Шиллинг в настоящее время является директором рабочей группы по доклинической визуализации и медицинской физике в клинике и поликлинике ядерной медицины в TUM Klinikum rechts der Isar.
В последние годы он объединился с коллегами из кафедр физики, химии и медицины для исследования зимоновой кислоты в качестве биосенсора. В журнале Nature Communications команда описывает, как его можно использовать для достоверного представления значений pH в организме мелких животных.
МРТ с ограничениями по времениЧтобы сделать значения pH видимыми с помощью зимоновой кислоты, молекула вводится в тело, а затем проводится магнитно-резонансная томография (МРТ) ткани объекта. Проще говоря: в сильном магнитном поле радиоволны возбуждают колебания ядерных спинов зимоновой кислоты. Затем регистрируются реакции ядер.
Эти данные используются для расчета частотных спектров, которые, в свою очередь, предоставляют информацию о химических свойствах молекулярного окружения ядер. В конечном итоге значение pH в любом исследуемом участке ткани может быть представлено на основе pH-зависимых молекулярных изменений в зимоновой кислоте.
Зимоновая кислота должна быть помечена углеродом 13, чтобы ее можно было увидеть на МРТ-изображениях. Это означает, что молекулы содержат 13 атомов углерода (13C) вместо «нормальных» атомов углерода 12. Но отмеченная таким образом зимоновая кислота по-прежнему не поддается измерению: ее сигнал МРТ слишком слаб. «Поэтому мы используем относительно новый метод — гиперполяризацию», — объясняет Стефан Дювель, физик и первый автор исследования. «Мы используем специальное устройство для передачи поляризации электронов атомным ядрам 13C с помощью микроволн при очень низких температурах, в результате чего сигнал МРТ становится в 100 000 раз сильнее». Затем используется горячая жидкость, чтобы быстро вернуть лимонную кислоту к комнатной температуре.
После этого ученым нужно действовать быстро. Биосенсор вводится внутривенно в организм, после чего необходимо немедленно провести МРТ: требуется всего 60 секунд, чтобы усиливающий сигнал эффект гиперполяризации снова исчез. «В настоящее время мы работаем над расширением этого временного окна», — говорит Дювель. «С одной стороны, мы пытаемся улучшить МРТ-свойства зимоновой кислоты с соответствующими модификациями молекулы; с другой стороны, мы ищем другие pH-чувствительные молекулы», — объясняет биохимик Кристиан Хундсхаммер, второй автор книги. изучение.Преимущества по сравнению с другими подходамиФранцу Шиллингу и его команде удалось показать, что их метод достаточно чувствителен, чтобы отображать важные с медицинской точки зрения изменения значения pH в организме.
Кроме того, с помощью зимоновой кислоты можно специально исследовать значение pH за пределами клеточной мембраны: с помощью других биосенсоров часто неясно, происходят ли измеряемые изменения внутри или вне клетки (внутриклеточные или внеклеточные). Это важно, потому что внутриклеточная ценность обычно стабильна, в то время как изменения в метаболизме имеют гораздо большее влияние на внеклеточную ценность.В отличие от оптических методов, которые ограничиваются поверхностным проникновением в организм из-за низкой прозрачности тканей, для МРТ нет ограничений по глубине проникновения. Кроме того, было продемонстрировано, что зимоновая кислота не токсична в концентрациях, используемых для мелких животных, а также образуется в низких концентрациях как побочный продукт метаболита пировиноградной кислоты, присутствующего в организме.
«Мы считаем, что зимоновая кислота — очень многообещающий биосенсор для пациентов», — говорит Франц Шиллинг. Однако в настоящее время запланированы дополнительные доклинические исследования, чтобы убедиться в преимуществах этого нового биомаркера для визуализации по сравнению с традиционными методами и для дальнейшего улучшения пространственного разрешения визуализации pH.