ЯМР - спектроскопия в исследовании живых систем
Зарегистрируйся в два клика и получи неограниченный доступ к материалам,а также
промокод
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
Введение
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопия), возможно, является наиболее универсальным методом, используемым сегодня в биомедицинских исследованиях. Явление ЯМР было впервые обнаружено в 1940-х годах и прежде всего использовалось физиками. В течение следующих 50 лет метод ЯМР быстро развивался и начал использоваться химиками. С развитием сверхпроводящих магнитов и реализацией Фурье-преобразования ЯМР в конце 1960-х годов, ЯМР-спектроскопию стали использовать для изучения структуры белков и других биологических молекул. В середине 1970-х годов были получены первые данные о применении ЯМР-спектроскопии для изучения обмена веществ в живых биологических системах. Примерно в то же время было продемонстрировано, что использование градиентов магнитного поля может быть использовано для кодирования сигналов ЯМР в пространстве, и, таким образом, была реализована концепция магнитно-резонансной томографии (МРТ). Вскоре после этого были получены первые МРТ-изображения человеческого тела, тогда стало понятно каких огромным потенциалом обладает данный метод применительно к медицинской диагностике. Актульальность данной темы обусловлена тем, что постоянные достижения в ЯМР-спектроскопии и визуализации позволяют использовать данные методы при исследовании широкого спектра биологических процессов в самых разнообразных системах: от отдельных клеток до изолированных органов и тканей в естественных условиях. Также сегодня возможно комбинирование различных ЯМР методов, позволяющих получить метаболическую, анатомическую и физиологическую информацию в одном и том же эксперименте. То есть современному исследователю важно иметь представления о работе данного метода и его прикладной значимости. Таким образом, цель данной статьи – предоставить обзор принципов ЯМР и демонстрация потенциала различных методов ЯМР в биомедицинских исследованиях. В данной работе кратко описаны основные принципы ядерного магнитного резонанса и магнитно-резонансной томографии. В ней также даны преимущества и недостатки ЯМР-спектроскопии и визуализации по сравнению с другими методами. Для достижения поставленной цели мы предоставляем подборку примеров, которые отражают разнообразие биологических систем, которые могут быть изучены при помощи данного метода. В заключении мы рассматриваем будущие перспективы ЯМР-спектроскопии и визуализации в биомедицинских исследованиях.
Принципы ЯМР-спектроскопии
Картина, которую мы используем для понимания большинства видов спектроскопии, заключается в том, что молекулы имеют набор энергетических уровней и что линии, которые мы видим в спектрах – это переход между этими самыми уровнями. Такой переход может б...
Открыть главуПреимущества и недостатки ЯМР
Преимущества метода. Неинвазивность и отсутствие ионизирующего излучения. Наибольшим преимуществом методов ЯМР является их неинвазивность, который включает в себя исследования изолированных тканей и клеток. Тот факт, что биохимическая (спектроскопия)...
Открыть главуПрименение 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 метаб...
Открыть главуЗаключение
Сегодня продолжается разработка более сильных магнитов ЯМР. Хотя широкое применение таких специализированных инструментов ограничено, они предоставят платформу для улучшения нашего понимание фундаментальных биофизических процессов, которые лежат в основе характеристик сигналов ЯМР в биологических системах. Технологические разработки, в частности, радиочастотных катушек и методов визуализации в высоких полях, потребуется эффективно использовать эти инструменты, чтобы их потенциал был полностью реализован. Наши знания относительно регуляции экспрессии генов и наша способность управлять экспрессией генов в клетках и у животных быстро растут. В результате растет потребности в оценке связи между изменениями в экспрессии генов и белков с клеточной функцией. Такие исследования потребуют количественного измерения широкого спектра физиологических и метаболических процессов в интактных биологических системах. Таким образом, в будущем требования неинвазивных, количественных измерений анатомии, физиологии и обмена веществ у трансгенных животных придаст дополнительный импульс развитию и применение новых методов ЯМР. Мы ожидаем, что метод фМРТ, которые предлагают большие возможности для понимания функций мозга, будет продолжать развиваться. Успешное развитие и исследование моделей животных будет иметь ключевое значение для понимания этих проблем, потому что они могут быть исследованы контролируемым образом. В сочетании с доступом к мозгу животных, и атласами, которые в настоящее время уже имеются в общем доступе в сети Интернете, отношения между структурой и функцией могут быть точно изучены. Ясно, что все еще ЯМР является развивающейся технологией. Однако уже сейчас МРТ является наиболее универсальным и широко применяемым методом визуализации доступным сегодня. Сочетание МРТ и ЯМР-спектроскопии позволяет нам получать информацию с молекулярняго уровня клеток, тканей, моделей животных и людей. Необходимость использовать модельных животных в исследованиях приводят к разработке специализированных систем исследования животных. При правильном использовании ЯМР предлагает потенциал для сокращение количества животных, используемых в экспериментах.
Список литературы
James Keeler. Understanding NMR Spectroscopy. University of Cambridge, Department of Chemistry. – 2002. - 210 стр. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения. Лекция 1. Московский Государственный Университет. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.chem.msu.su/rus/teaching/ustyniuk-nmr-lectures/Lecture-1.pdf. (дата обращения 19.12.2019) Chapter 13: Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy. Университет Вандербильта. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.vanderbilt.edu/AnS/Chemistry/Rizzo/chem220a/Ch13slides.pdf(дата обращения 17.12.2019) Нифанатьев И.Э. Практический курс спектроскопии ядерного магнитного резонанса / И.Э. Нифанатьев, П.В.Ивченко // Методическая разработка. – Москва : Изд-во МГУ, 2006. – 200 с. Nuclear magnetic resonance spectroscopy and imaging in animal research. Chatham J.C., Blackband S.J. ILAR J. 2001;42(3):189-208. Коптюг И.В. ЯМР: раздвигая границы возможного // Наука из первых рук. 2011. №2 (38). A review of imaging techniques for systems biology. Armen Kherlopian, Ting Song, Qi Duan, Mathew Neimark, Ming Po, John Gohagan, and Andrew Laine. BMC Syst Biol. 2008; 2: 74 Ciobanu L, Pennington C.H. 3D micron-scale MRI of single biological cells. Solid State Nuclear Magnetic Resonance. 2004;25:138–141. The year(s) of the contrast agent - micro-MRI in the new millennium. Pautler R.G., Fraser S.E. Curr Opin Immunol. 2003 Aug; 15(4):385-92. Functional magnetic resonance imaging of regional brain activity in patients with intracerebral gliomas: findings and implications for clinical management. Atlas S.W., Howard R.S. 2nd, Maldjian J., Alsop D., Detre J.A., Listerud J., D'Esposito M., Judy K.D., Zager E., Stecker M. Neurosurgery. 1996 Feb; 38(2):329-38. Real-time metabolic imaging. Golman K., Zandt R., Thaning M. Proc Nat Acad Sci USA. 2006 Jul 25; 103(30):11270-5
