Применение ЯМР-спеткроскопии в живых системах

Несколько различных ЯМР-чувствительных ядер могут быть использованы в изучении биологических систем, и наиболее распространенными являются 19F, 31P, 1H, 13C, 23Nа. 19F, 31P, 1Н и 13С-ЯМР-спектроскопия обычно используются для изучения клеточного метаболизма и биоэнергетики, тогда как 23Na ЯМР исследования обычно сосредоточены на вопросах, связанных с ионным транспортом и регулированием ионных насосов. Фтор не встречается в природе в биологических системах, однако, это очень чувствительное ядро. Следовательно, фтор-меченые соединения могут быть введены в клетки и использоваться в качестве индикатора клеточных процессов, таких как концентрирование кальция. 19F-ЯМР спектроскопия также была использована для отслеживания метаболизма лекарственных средств, например, 5-фторурацил. В дополнение к разнообразным клеточным процессам, которые могут быть изучены с помощью ЯМР-спектроскопии, еще одно преимущество данной техники - это широкий спектр биологических систем, которые могут быть исследованны. ЯМР-спектроскопические исследования регулярно проводят на изолированных клетках, в культуре и в перфузионных условиях, в изолированных перфузированных органах, таких как почки, печень и сердце, на тканях и органах in vivo, таких как сердце, мозг, печень, скелетные мышцы и опухоли.
Наиболее часто при изучении биологических систем используюся 31P-, 13C- и 1Н- ЯМР-спектроскопии. Стоит отметить что ограничения в применении методов ЯМР к биологическим системам больше зависят от способности поддерживать физиологически жизнеспособный препарат во время эксперимента, чем с любыми ограничениями, присущими самаой технике.
Изолированное перфузированное сердце было одной из первых биологических систем использованного для детального изучения с помощью 31P ЯМР -спектроскопии (рис. 4). Спектр состоит из шести пиков или резонансов, по одному α-, β- и γ-фосфатов АТФ, один из фосфокреатина (PCr1) и два от неорганического фосфата (Pi1)

. Площадь под каждым резонансом прямо пропорциональна концентрации каждого из метаболитов, таким образом, из одного спектр, такого как этот, можно определить концентрации АТФ, PCr и Pi.
Рисунок 4 - Спектр 31P-ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изолированного перфузированного сердца мыши, собранного на спектрометре ЯМР 500 МГц [5].
Уникальная особенность 31Р-ЯМР спектроскопия обусловлена наличием двух резонансов от неорганического фосфата, а именно его способность определять рН. Положение Рi резонансов, известный как его химический сдвиг, зависит от рН. Таким образом, два Pi резонанса на рисунке 4 указывают на наличие двух компонентов, содержащих Pi с немного разными рН. В этом случае два компартмента представляют внеклеточную среду, которая имеет рН приблизительно 7,4, и внутриклеточное пространство, которое имеет рН приблизительно 7,0. Важно отметить, что хотя существует возможно измерять концентрации АТФ и PCr с использованием традиционных методик, они требуют разрушения образца. По необходимости такие методы обеспечивают получение информация только в один момент времени, в отличие от спектров 31P-ЯМР, которые могут собираться многократно в течение длительного периода времени и зависеть только от жизнеспособности исследуемой системы. Поэтому возможно исследование последствия вмешательств на биоэнергетику интересующей ткани.
В качестве примера мы использовали изолированное перфузированное сердце, однако, как отмечалось выше, аналогичные исследования были проведены в других изолированных перфузированных органах, таких как печень и почки, а также в исследованиях на животных, в которых интересующий орган был подвергнут хирургическому воздействию, и катушка ЯМР помещалась непосредственно рядом с органом.
Без сомнения 31P-ЯМР спектроскопия очень ценный инструмент для исследования биоэнергетики тканей, тем не мение, приведенные выше примеры не использовали действительно неинвазивную особенность ЯМР, потому что они были сосредоточены на изолированных органах или тканях, подвергшихся хирургическому воздействию