Диагностическая магнитно-резонансная система с динамической поляризацией ядер
Предлагаемая полезная модель относится к области технических средств обнаружения биологических маркеров, или к системам, которые используют магнитный резонанс для измерения величин, относящихся к выявлению специфических биологических молекул (биомаркеров). Быстрое и точное измерение биомаркеров в биологических образцах дает информацию для определения количества определенных биомолекул (вирусов, бактерий, метаболитов и т.п.) в организме, что является особенно актуальным для ранней диагностики заболеваний, для понимания устройства биологических объектов на системном уровне. Диагностическая магнитно-резонансная система с динамической поляризацией ядер содержит магнит 1, резонатор СВЧ 2 с отверстием 3, в котором помещается катушка ЯМР 5 с измеряемым образцом, блок управления магнитным полем 4, генератор СВЧ 6; ЯМР-релаксометр 7, индукционный датчик сигналов ядерного магнитного резонанса 8, ампулу (смесительную ячейку) 9 с исследуемым водным образцом, персональный компьютер 10, осуществляющий управление системой и обработку результатов измерений. Техническим результатом является усиление сигнала прецессирующей ядерной намагниченности протонов в измеряемом объекте, т.е. увеличение чувствительности измерений за счет эффекта динамической поляризации ядер. Достигнутый технический результат позволяет уменьшить время исследования за счет усиления сигнала, расширить диапазон применений метода ДМР, выполнять селективное обнаружение специфических биомолекул.
Предлагаемая полезная модель относится к области магнитно-резонансных технических средств обнаружения биологических маркеров, или более конкретно, к системам, которые используют магнитный резонанс для измерения величин, относящихся к выявлению специфических биологических молекул. Быстрое и точное измерение биомаркеров в биологических образцах дает информацию для определения количества специфических биомолекул (вирусов, бактерий, метаболитов и т.п.) в организме, что является особенно актуальным для ранней диагностики заболеваний, для понимания устройства биологических объектов на системном уровне.
Известные магнитно-резонансные технические средства обнаружения биомаркеров базируются на использовании метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Этот метод предполагает использование магнитных наночастиц в качестве опосредованных датчиков изменения скорости релаксации соседних молекул воды. Эта методика получила название диагностического магнитного резонанса (ДМР). Метод ДМР использует способность молекул, связанных (коньюгированных) с магнитными наночастицами, присоединяться к молекулярным мишеням и вызывать изменения в скорости релаксации протонов исследуемой биологической жидкости, используя один из двух различных процедурных "режимов". Первый включает в себя мечение крупных структур, таких как целые клетки, и требует последующей стадии очистки, чтобы удалить несвязанные наночастицы - датчики. Второй режим использует явление магнитно-релаксационного переключения (magnetic relaxation switching - MRSw), в которой молекулярные мишени используются для соединения магнитных наночастиц в кластеры, что вносит изменения в скорость релаксации всего образца (Perez J.M., Josephson L., O'Loughlin T., Hogemann D., Weissleder R. Magnetic relaxation switches capable of sensing molecular interactions. // Nat. Biotechnol. - 2002. - Vol.20. - P.816-820). В обоих случаях, связывающие взаимодействия осуществляются одинаково во всем растворе, и распространяют этот эффект магнитного резонанса на миллиарды соседних молекул воды. Таким образом, ДМР является более быстрым методом измерений, чем другие методы магнитного детектирования, которые требуют твердофазной иммобилизации, диффузии наночастиц к детектирующим элементам или наличия стадий дискретной амплификации. На сегодняшний день ДМР успешно используется для обнаружения широкого спектра молекулярных мишеней с высокой чувствительностью и специфичностью, включая ДНК, РНК, белки, активные ферменты, метаболиты, лекарства, патогены и раковые клетки.
Принцип, лежащий в основе ДМР, - использование магнитных наночастиц в качестве бесконтактных датчиков, модулирующих время спин-спиновой релаксации T2 соседних молекул воды, которые могут быть подсчитаны с использованием клинических МРТ-сканеров или настольных ЯМР-релаксометров. Среди ЯМР-релаксометров настольного типа, наиболее адаптированных для решения задач ДМР, известна диагностическая магнитно-резонансная система T2Dx, разработанная компанией «T2 Biosystems», США (www.t2biosystems.com).
Эта система является прототипом предлагаемой полезной модели. Система T2Dx содержит источник магнитного поля (магнит), между полюсными наконечниками которого находится индукционный датчик сигналов ядерного магнитного резонанса, к которому подключен электронный блок ЯМР-релаксометра, состоящий из генератора радиочастотных импульсов с частотой заполнения, равной частоте ядерного магнитного резонанса протонов воды исследуемой биологической жидкости, усилителя и детектора сигнала ядерного магнитного резонанса, блок управления магнитным полем, ампула (смесительная ячейка) с исследуемым водным образцом, персональный компьютер, осуществляющий управление системой и обработку результатов измерений.
Недостатком известной диагностической магнитно-резонансной системы, как и всех известных ЯМР-релаксометров настольного типа, является невысокий уровень чувствительности, связанный с низким значением индукции магнитного поля, обусловленным определенным пределом возможностей технической реализации некриостатируемых малогабаритных магнитных систем (максимально достижимая индукция магнитного поля составляет порядка 1 Тл), что напрямую связано с уменьшением частоты ЯМР и уменьшением чувствительности системы.
Задачей, решаемой в полезной модели, является увеличение чувствительности измерений путем усиления сигнала прецессирующей ядерной намагниченности в измеряемом объекте.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемая система отличается от известной тем, что дополнительно в зазор между полюсными наконечниками магнита помещается резонатор возбуждения сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного поля в измеряемом образце, резонатор присоединен к генератору СВЧ колебаний с частотой, равной частоте электронного парамагнитного резонанса свободных радикалов спиновых зондов, вводимых в измеряемый образец, который находится внутри индукционного датчика ЯМР, расположенного внутри резонатора СВЧ.
Технический результат - усиление сигнала прецессирующей ядерной намагниченности в измеряемом объекте, и, соответственно, увеличение чувствительности измерений достигается за счет эффекта динамической поляризации ядер (ДПЯ), т.е. переноса спиновой магнитной намагниченности от электронов свободных радикалов спиновых зондов, вводимых в измеряемый водный раствор, к протонам исследуемой водородосодержащей жидкости. Получаемый технический результат позволяет также уменьшить время исследования за счет усиления сигнала, расширить диапазон применений метода ДМР, выполнять селективное обнаружение специфических биомолекул.
Предлагаемая полезная модель диагностической магнитно-резонансной системы с динамической поляризацией ядер, блок-схема которой представлена на рисунке, содержит магнит 1, резонатор СВЧ 2 с отверстием 3, в котором помещается катушка ЯМР 5 с измеряемым образцом, блок управления магнитным полем 4, генератор СВЧ 6; ЯМР-релаксометр 7, индукционный датчик сигналов ядерного магнитного резонанса 8, ампулу (смесительную ячейку) 9 с исследуемым водным образцом, персональный компьютер 10, осуществляющий управление системой и обработку результатов измерений.
Работа диагностической магнитно-резонансной системы с динамической поляризацией ядер осуществляется следующим образом.
Ампула (смесительная ячейка) 9 с исследуемым водным образцом, содержащим функционализированные (коньюгированные) магнитные наночастицы и спиновые зонды, вставляется в ЯМР-катушку 5, которая соединена с индукционным датчиком сигналов ЯМР 8; который в свою очередь присоединен к выходу ЯМР-релаксометра 7, управляемого персональным компьютером (ПК) 10, выходы которого также соединены со входами блока управления магнитным полем 4, подключенного к магниту 1; и блока генератора СВЧ 6, выход которого подключен ко входу резонатора СВЧ 2, в отверстии 3 которого находится катушка ЯМР 5.
Однородное постоянное магнитное поле магнита 1, который подключен к блоку управления магнитным полем 4, создает в измеряемом водном растворе ядерную спиновую намагниченность на ядрах водорода (протонах) воды и электронную спиновую намагниченность на неспаренных электронах свободных радикалов спиновых зондов. СВЧ генератор 6 по команде ПК 10 создает в резонаторе 2 электромагнитное поле СВЧ с частотой СВЧ накачки, вызывающей электронные индуцированные переходы между зеемановскими подуровнями электронной спиновой системы спиновых зондов, введенных в исследуемый раствор. Неспаренные электроны спиновых зондов через диполь-дипольное взаимодействие осуществляют перенос возникшей электронной спиновой намагниченности на ядра водорода (протоны) измеряемого водного раствора, тем самым усиливая сигнал прецессирующей ядерной намагниченности (ЯМР). Таким образом осуществляется динамическая поляризация ядер, взаимодействующих с неспаренными электронами, или эффект Оверхаузера. Возможное при этом усиление сигнала ЯМР может достигать порядка сотен раз. Причем СВЧ-накачка переходов электронного парамагнитного резонанса спиновых зондов, введенных в измеряемый образец, происходит постоянно во время всего процесса измерений. Радиочастотный генератор ЯМР-релаксометра 7, управляемый ПК 10, создает радиочастотные импульсы, возбуждающие в РЧ-катушке 5 датчика ЯМР 8 сигнал прецессирующей ядерной намагниченности протонов водного раствора, увеличенный за счет динамической поляризации ядер. Сигнал прецессирующей ядерной намагниченности, регистрируемый датчиком ЯМР 8 после окончания действия радиочастотного импульса, поступает на вход усилителя ЯМР-релаксометра 7. По команде ПК 10 ЯМР-релаксометр 7 генерирует специальные импульсные последовательности для определения времен T2 поперечной релаксации протонов измеряемого водного образца. Оцифрованные данные о сигналах ЯМР из ЯМР-релаксометра 7 передаются в ПК 10, где производится определение времен релаксации T2. Затем с помощью смесительной ячейки 9 в ЯМР-катушке 5 происходит подача и смешивание водного раствора, содержащего функционализированные магнитные наночастицы и спиновые зонды, с раствором исследуемой биологической жидкости. К оболочке функционализированных магнитных наночастиц «пришиты» молекулы, способные избирательно взаимодействовать с определенными видами биомолекул, которые должна обнаружить диагностическая магнитно-резонансная система.
Если в исследуемой биологической жидкости присутствуют биомолекулы, способные избирательным образом реагировать с функционализированными магнитными наночастицами, то в результате протекания специфической реакции между биомолекулами и наночастицами образуются молекулярные кластеры из наночастиц, которые резко сокращают время поперечной релаксации протонов исследуемого образца. ЯМР-релаксометр 7 фиксирует данное изменение времени поперечной релаксации протонов исследуемого раствора. Сигналы ЯМР оцифровываются, передаются в ПК 10, где полученные данные обрабатываются и происходит измерение количества интересующих специфических биомолекул в исследуемой биологической жидкости. Поскольку динамическая поляризация ядер водорода исследуемого раствора производится постоянно во время всех стадий измерения, то происходит постоянное усиление регистрируемых сигналов ЯМР, тем самым повышается чувствительность данной диагностической магнитно-резонансной системы.
Диагностическая магнитно-резонансная система с динамической поляризацией ядер, содержащая источник магнитного поля (магнит), между полюсными наконечниками которого находится катушка ЯМР индукционного датчика сигналов ядерного магнитного резонанса, блок управления магнитным полем, ЯМР-релаксометр, содержащий генератор радиочастотных импульсов с частотой заполнения, равной частоте ядерного магнитного резонанса протонов измеряемого водного раствора, усилитель и детектор сигнала ЯМР, персональный компьютер, управляющий работой системы и осуществляющий обработку результатов измерений, отличающаяся тем, что дополнительно в зазор между полюсными наконечниками магнита введен резонатор возбуждения сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного поля в измеряемом образце, резонатор присоединен к генератору СВЧ колебаний с частотой, равной частоте электронного парамагнитного резонанса спиновых зондов, вводимых в измеряемый образец, который находится внутри катушки индукционного датчика ЯМР, расположенной внутри резонатора СВЧ.
