Magnetyczny rezonans jądrowy w metabolomice - czyli jak odkryć chorobę zanim wystąpią objawy.07.02.2013

autor: Tomasz Woźniak
słowa kluczowe: metabolomika, NMR

W artykułach poświęconych obrazowaniu [MRI część 1] [MRI część 2] przedstawione zostały podstawy obrazowania metodami Magnetycznego Rezonansu Jądrowego (NMR). Okazuje się, że metody spektroskopii NMR można również wykorzystać do diagnostyki chorób w zupełnie inny sposób. Zamiast wsuwać pacjenta do spektrometru, można np. pobrać jego mocz i zbadać występujące w nim metabolity.

Jak i dlaczego wykonuje się to badanie?

W każdej komórce organizmu ludzkiego cały czas zachodzą liczne reakcje chemiczne, odpowiedzialne za pozyskiwanie energii czy tworzenie elementów budulcowych komórki. W ich wyniku wytwarzane są różnego rodzaju substancje, które są dalej przetwarzane lub wydalane z komórek i organizmu. Badając zawartość tych substancji w komórkach lub płynach ustrojowych oraz porównując te wartości do wartości typowych można uzyskać informacje o obecnym stanie organizmu. Z analizy wykluczane są duże cząsteczki takie jak białka DNA, RNA czy cukry. Badane cząsteczki charakteryzują się dużym spektrum właściwości fizykochemicznych, takich jak rozmiar, polarność, ilość czy stabilność.

Na zawartość metabolitów w komórkach wpływają trzy grupy czynników:

  • genom
  • stadium rozwojowe
  • czynniki zewnętrzne

Ze względu na charakter badań, badania metabolomiczne nie są w stanie wykryć szybkich zmian, np. odpowiadających reakcji organizmu na zranienie, ale świetnie nadają się do badań różnego rodzaju procesów takich jak stan chorobowy lub odpowiedź na leki.

Do badań metabolomu można wykorzystać szereg różnych platform i eksperymentów, ale szeroko rozpowszechnione są obecnie dwie techniki. Jedną z nich jest spektroskopia mas (MS ang. mass spectrometry) a drugą NMR.

Spektrometr używany do badań metabolomicznych różni się od tych używanych w metodach obrazowania. Nadprzewodzący elektromagnes umieszczony jest w zbiorniku zawierającym ciekły hel - niezbędny dla zachowania efektu nadprzewodnictwa i uzyskania silnego pola magnetycznego. Dodatkowo by zminimalizować koszty - wspomniany zbiornik otoczony jest próżnią oraz kolejnym zbiornikiem - tym razem z ciekłym azotem. W środku znajduje się otwór. Na dole tego otworu wsuwana jest sonda zawierająca cewki służące do naświetlenia próbki oraz zbierania danych, a z góry wkładane są próbki w specjalnych wąskich probówkach umieszczonych w rotorku. Dane wysyłane do i odbierane z sondy wysyłane są do skomplikowanych układów elektronicznych a następnie do komputera.

magnes NMR

Ryc. Bardzo uproszczony schemat magnesu do spektroskopii NMR. Kolor ciemnoniebieski - magnes nadprzewodzący umieszczony w zbiorniku z ciekłym helem (zielony). Na zewnątrz zbiornik z ciekłym azotem (żółty). Zbiorniki są od siebie i otoczenia izolowane przedziałami wypełnionymi próżnią, czego nie pokazano na rysunku. W dolnej części magnesu znajduje się sonda (kolor szary), z góry za pomocą sprężonego powietrza umieszczana jest probówka w specjalnym rotorku, tak by badana substancja znalazła się w sondzie i w miejscu gdzie pole elektromagnetyczne wytwarzane przez elektromagnes jest najbardziej jednorodne.

Spektroskopia NMR jest bardzo użyteczna, gdyż można stosunkowo szybko uzyskać wyniki które są ilościowe. Dzieje się tak dlatego, że objętości sygnałów na widmie NMR są zależne od liczby moli danej substancji w roztworze. Ponieważ sygnały pochodzące od wielu związków mogą się na siebie nakładać, można wykonać widma 2D w celu lepszej identyfikacji interesujących informacji. Z kolei wykorzystanie silniejszych magnesów lub kriosondy (sondy chłodzonej gazowym helem w celu minimalizacji szumów) można uzyskać silniejszy stosunek sygnałów do szumu.

Dane uzyskane z pomiarów mogą być porównane z danymi w jednej z baz danych zawierających informacje o standardowych wartościach przesunięć chemicznych dla danych związków chemicznych.

Co można diagnozować?

Na chwilę obecną wykorzystanie spektroskopii NMR do diagnostyki jest wciąż w fazie rozwoju. Potencjalnych zastosowań jest bardzo dużo. Przykładowo można badać wpływ oddziaływania diety i bakterii zasiedlających układ pokarmowy na procesy w tkankach. Innymi rozwijanymi zastosowaniami są badanie chorób płodu, wykrywanie stwardnienia rozsianego, choroby wieńcowej, astmy czy raka. Technika ta pozwala także na monitorowanie postępów leczenia licznych chorób, np. nowotworów. Co ważne w wielu przypadkach badania metabolomiczne dają wskazówki dotyczące pogarszającego się zdrowia pacjenta jeszcze przed wystąpieniem pierwszych objawów, co może pozwolić na szybsze i skuteczniejsze leczenie.

W kolejnych latach metoda ta może pozowolić na szybsze i dokładniejsze diagnozowanie stanów chorobowych i być może dzięki swojej uniwersalności zastąpi niektóre z obecnie stosowanych metod diagnostycznych.

ISSN 1689-7730