Spektroskopia jądrowego rezonansu magnetycznego. NMR w nowoczesnej farmacji i medycynie znaczenie i przykłady wykorzystania.

NMR w nowoczesnej farmacji i medycynie znaczenie i przykłady wykorzystania. Część II Elżbieta Jodłowska 1, Anna Myka 1, Joanna Adamus 1, Kornelia Czaja 1, Beata Drabińska 1, Hanna Popielarska 1, Joanna Kruk 2 *, Jacek Kujawski 2 ** 1 Studenckie Koło Naukowe SKN Chemii Organicznej przy Katedrze i Zakładzie Chemii Organicznej Uniwersytetu Medycznego im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu 2 Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Medyczny im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu, Collegium Chemicum, Poznań Adres do korespondencji: Joanna Kruk 2 *, Jacek Kujawski 2 **, Katedra i Zakład Chemii Organicznej, Uniwersytet Medyczny im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu, Collegium Chemicum, ul. Grunwaldzka 6, 60-780 Poznań, e-mail: *jkruk@ump.edu.pl, ** jacekkuj@ump.edu.pl The NMR spectroscopy in modern pharmacy and medicine importance and examples of utilization. Part II Methods which utilise the phenomenon of nuclear magnetic resonance are commonly used in medicine, not only as the NMR spectroscopy, but also as the MRI tomography. The latter quickly became a universal diagnostic tool and has been used in all branches of medicine, especially in oncology, cardiology, peadiatrics and neurology. The versatility of the MRI tomography is a result of the variety of its subtypes. The images can be not only proton density-weighted, but also T 1 - or T 2 -weighted (spin-lattice and spinspin relaxation times, respectively), diffusion-weighted or dependent on perfusion. Due to this diversity, MRI images distinguish the newly formed blood vessels, connections between neurons and tissues which only slightly vary in terms of density. Recently combined, the MRI and PET techniques offer new diagnostic possibilities, particularly as new contrast means have been investigated, which can be used in these two techniques simultaneously. Keywords: NMR spectroscopy, MRI tomography, medicine, diagnostics, therapy. Farm Pol, 2013, 69(3):???-??? Spektroskopia jądrowego rezonansu magnetycznego (nuclear magnetic resonance, NMR) odgrywa znaczną rolę w naukach farmaceutycznych, w tym również w projektowaniu leków [1]. Godnym podkreślenia jest również fakt rosnącego zainteresowania świata nauki metodologią opartą na zjawisku jądrowego rezonansu magnetycznego w dziedzinach medycznych. W tym obszarze na szczególną uwagę zasługuje technika zwana MRI (magnetic resonance imaging, obrazowanie rezonansem magnetycznym). Umożliwia ona uzyskanie obrazów dowolnie wybranej płaszczyzny przekroju ciała. Z uwagi na wysoką użyteczność wspomnianej techniki niniejsza praca zostanie w głównej mierze poświęcona obrazowaniom MRI, ze szczególnym uwzględnieniem najnowszych osiągnięć w tej dziedzinie, nie pomijając jednak roli spektroskopii NMR. Jednym z interesujących przykładów wykorzystania spektroskopii NMR w medycynie jest jej zastosowanie w badaniach składu chemicznego kości z użyciem metody CP-MAS (cross polarization magic angle spinning), umożliwiającej rejestrację widm w fazie stałej [2]. Zastosowanie izotopów różnych pierwiastków, takich jak 1 H, 18 O czy 31 P, pozwala na spektroskopowe badanie metabolizmu mięśni gładkich oraz komórek w stanie niedotlenienia (hipoksji), co znalazło szczególne zastosowanie w przypadku diagnostyki mięśnia sercowego [3, 4]. Spektroskopia NMR może być również stosowana w badaniach surowicy krwi i moczu osób cierpiących na chorobę popromienną. W ten sposób można wykryć zmiany stężeń związków typowych w różnych stadiach tego schorzenia, co może służyć do oceny czasu, jaki minął od momentu napromieniowania pacjenta [5]. Również w innych sytuacjach analiza NMR może zostać użyta jako narzędzie badawcze w ocenie stężeń metabolitów znajdujących się w moczu [6]. Tomografia MRI, jako technika oparta na zjawisku jądrowego rezonansu magnetycznego, to obecnie jedna z rutynowych metod radiologicznych. 188 Tom 69 nr 3 2013

metody badań w farmacji i medycynie Najbardziej popularną z nich jest tomografia komputerowa (computed tomography, CT) pozwalająca na otrzymanie obrazu dowolnie wybranej płaszczyzny ciała. Zróżnicowanie stopnia szarości danego obrazowania zależy od współczynnika osłabiania zastosowanego promieniowania X [7]. Niestety, bardzo dużą wadą tomografii komputerowej jest fakt narażania pacjenta podczas każdego badania na promieniowanie jonizujące, które uznawane jest jako silny czynnik mutagenny i teratogenny [7]. Dodatkowo omawiana metoda uniemożliwia zróżnicowanie tkanek o podobnym współczynniku osłabiania promieniowania. Kolejna technika radiologiczna, pozytonowa tomografia emisyjna (positron emission tomography, PET), opiera się na wykrywaniu promieniowania γ pochodzącego z anihilacji pozytonów wytworzonych w wyniku rozpadów β+ izotopów promieniotwórczych, uprzednio podanych pacjentowi [8]. Metoda ta umożliwia funkcjonalne badanie organizmu, lecz jej zastosowanie jest stosunkowo ograniczone, gdyż użyty pierwiastek promieniotwórczy musi być wyłapywany lub magazynowany przez badane komórki. W porównaniu z opisanymi metodami tomografia MRI, choć niepozbawiona wad, cechuje się większym uniwersalizmem i brakiem skutków ubocznych [9]. Jak już wspomniano, w tomografii MRI wykorzystuje się zjawisko rezonansu magnetycznego. Obecność cząsteczki o niezerowym momencie magnetycznym w zewnętrznym stałym polu magnetycznym skutkuje tym, iż jej moment magnetyczny zaczyna wykonywać precesję względem wektora indukcji magnetycznej stałego pola magnetycznego. Liczba położeń wektora momentu pędu jest równa 2J+1, gdzie kwantyfikator J oznacza liczbę kwantową związaną z momentem pędu cząstki. Połowa położeń, nazwanych równoległymi, ma niższą energię, dlatego też w tych położeniach znajduje się więcej momentów magnetycznych [10]. Gdy w danym ośrodku pojawi się fala elektromagnetyczna, której składowa magnetyczna jest prostopadła do kierunku indukcji zewnętrznego pola magnetycznego, zachodzi zjawisko rezonansu magnetycznego. Polega ono na pochłonięciu kwantu promieniowania elektromagnetycznego o energii równej różnicy energii pomiędzy dwoma poziomami energetycznymi. Z omawianym zjawiskiem związane są pojęcia czasów relaksacji. Wektor momentu magnetycznego można rozłożyć na dwie składowe: poprzeczną (poziomą) i podłużną (pionową). Przed pochłonięciem kwantu energii, różnica obsadzeń pomiędzy poziomami równoległymi i antyrównoległymi jest niewielka, więc sumaryczna składowa podłużna momentu magnetycznego osiąga pewną wartość. Po zaabsorbowaniu kwantu promieniowania liczba cząstek w obu położeniach zmienia Tom 69 nr 3 2013 się, co skutkuje zmianą wartości składowej podłużnej. Czas, w którym ponownie wzrasta ona do wartości równej 63% swojej wartości początkowej nazywany jest czasem relaksacji podłużnej. Należy odnotować, że składowa podłużna może być mierzona jedynie w płaszczyźnie poprzecznej, ponieważ zmienne pole magnetyczne tylko w tej płaszczyźnie indukuje prąd w cewce odbiorczej. Z tego też powodu, aby zmierzyć składową podłużną, stosuje się impuls fali eletromagnetycznej RF 90 º (radio frequency), który obraca wektor momentu magnetycznego o 90 º. W ten sposób wektor magnetyzacji podłużnej znajdzie się w płaszczyźnie poprzecznej i może być zmierzony. Podczas mierzenia czasu relaksacji poprzecznej składowa poprzeczna momentu magnetycznego indukuje w cewce odbiorczej prąd proporcjonalny do jej wartości. Czas, w którym składowa namagnesowania poprzecznego zmniejszy się o wartość 37% nazywany jest czasem relaksacji poprzecznej. Warto podkreślić, że przed zajściem zjawiska rezonansu magnetycznego składowa poprzeczna momentu magnetycznego jest równa zero, natomiast składowa podłużna ma wartość maksymalną. Po zajściu omawianego zjawiska składowa poprzeczna osiąga wartość maksymalną w danych warunkach, która wynika z synchronizacji faz momentów magnetycznych poszczególnych cząstek [9]. Zrozumienie pojęć czasu relaksacji poprzecznej i podłużnej jest kluczowe, gdyż w standardowych odmianach tomografii MRI uzyskiwane w obrazie odcienie szarości przyporządkowywane są pikselom zależnie od ich czasu relaksacji podłużnej, czasu relaksacji poprzecznej lub gęstości protonów (odpowiednio ang. T1-weighted, T2-weighted, PD- -weighted), zatem intensywność zabarwienia piksela w obrazie MRI jest wprost proporcjonalna do gęstości protonów, czasu relaksacji poprzecznej i odwrotności czasu relaksacji podłużnej. Parametry czasu relaksacji podłużnej i poprzecznej są niezwykle przydatne w różnicowaniu tkanek, których nie da się odróżnić w inny sposób. Ulegają one wydłużeniu wraz ze wzrostem zawartości wody w tkankach. Z kolei typ powstałego obrazu zależy od wartości czasu repetycji, czyli długości okresu powtórzenia następnego pomiaru po poprzednim, oraz od czasu echa (sygnał echa spinowego powstaje w momencie zsynchronizowania precesji momentów magnetycznych). Teoretycznie niemożliwe jest uzyskanie obrazu zależnego jedynie od jednego czynnika, np. jedynie czasu relaksacji podłużnej, jednakże w praktyce przy dobraniu odpowiedniego czasu repetycji i czasu echa można do minimum ograniczyć wpływ pozostałych czynników [9, 10]. Tomografia MRI stanowi cenne narzędzie w obrazowaniu mózgu. Poprzednio stosowane metody, głównie CT, nie umożliwiały odróżnienia istoty 189

białej od szarej mózgu, co niekiedy stanowi jedyny sposób zdiagnozowania lub oceny stopnia zaawansowania różnych, opisanych poniżej, schorzeń neurologicznych. Ze względu na różną zawartość wody w istocie szarej i białej mózgu oraz korelację pomiędzy ilością wody a czasem relaksacji tomografia MRI skutecznie umożliwia zróżnicowanie wspomnianych części mózgu. Oprócz obrazowania anatomicznych struktur mózgowia, tomografia MRI daje możliwość uwidocznienia m.in. guzów, obrzęków i innych zmian patologicznych. Jeśli dana anomalia nie jest dobrze widoczna, stosuje się tzw. kontrasty (substancje paramagnetyczne; najpopularniejsze są związki gadolinu) [11], które znacznie skracają zarówno czas relaksacji podłużnej, jak i poprzecznej. Podanie środka kontrastowego jest niewskazane w przypadku pacjentów ze schorzeniami nerek, gdyż w niektórych przypadkach może sprzyjać nerkopochodnemu twardnieniu układowemu (nephrogenic systemic fibrosis) [12], które nie występuje u osób z prawidłową czynnością nerek. Jednocześnie należy zaznaczyć, iż w tomografii MRI ilość podawanego środka kontrastowego jest o wiele mniejsza niż w przypadku tomografii komputerowej [9]. Obecnie trwają badania w obszarze nanotechnologii zmierzające do stworzenia nowych środków kontrastowych na bazie gadolinu, np. układów klatrynowych zawierających chelatowany gadolin [11], tlenek żelaza [11] i tlenek manganu [13] oraz analizuje się wpływ właściwości nanocząsteczek na środki kontrastowe [14]. Badania te mają na celu umożliwienie jeszcze dokładniejszego obrazowania struktur anatomicznych, szczególnie w obrębie ośrodkowego układu nerwowego. Oprócz tradycyjnych metod obrazowania MRI w diagnostyce mózgowia szerokie możliwości daje inna metoda DW-MRI (diffusion-weighted MRI, obrazowanie zależne od nasilenia dyfuzji). Stopień szarości uzyskanego w obrazie piksela zależy tutaj od nasilenia dyfuzji cząstek wody w danym punkcie. Obrazowanie to zwykle jest stosowane w przypadku ośrodków izotropowych (homogenicznych), gdzie dyfuzja zachodzi w kierunkach zależnych tylko od warunków panujących w komórce: stężenia substancji, temperatury itd. Uwzględnienie tychże czynników jest niezmiernie istotne nie tylko przy diagnozowaniu chorób neurologicznych, ale i w badaniach mających na celu zrozumienie mechanizmów ich powstawania, czego przykładem mogą być choroba wysokościowa czy choroba Alzheimera [15 17]. Obiecujące wyniki badań skutkowały powołaniem inicjatywy ADNI MRI (Alzheimer s disease neuroimaging initiative, inicjatywa obrazowania neurologicznego choroby Alzheimera metodą MRI) [17]. Przeprowadzone badania potwierdziły, że atrofia tkanki nerwowej ukazywana przez MRI koreluje z klinicznymi i psychologicznymi wynikami analiz wskazujących na postęp tejże choroby u pacjentów. Wspomniana już zdolność rozróżniania istoty białej i szarej mózgu z użyciem techniki MRI umożliwia ocenę stopnia zaawansowania innego schorzenia stwardnienia rozsianego, choroby neurodegeneracyjnej polegającej na stopniowej degradacji osłonek mielinowych [18]. Okazało się to możliwe dzięki zastosowaniu analizy istoty szarej z użyciem metody zależnej od czasu relaksacji poprzecznej [19]. Według badań, zmniejszona intensywność zabarwienia piksela w obrazowaniu T 2 -MRI istoty szarej mózgowia świadczy o większym stopniu zaawansowania choroby, czego przyczynę upatruje się w gromadzeniu żelaza w wspomnianej tkance [19]. Pomimo iż dokładny sposób rozwoju stwardnienia rozsianego nie jest znany, trwają badania nad opracowaniem optymalnej metody oszacowania ilości żelaza w mózgowiu, gdyż jest to bezpośrednio związane ze stopniem zaawansowania chorób genetycznych (β-talasemii) lub neurodegeneracyjnych (stwardnienia rozsianego) [20, 21]. Ponadto za pomocą metody MRI podejmowane są próby określenia wpływu bliskiego położenia anatomicznego określonych struktur na szybkość rozprzestrzeniania się w nich chorób neurodegeneracyjnych [18]. Obecnie podejmowane są także próby poznania relacji pomiędzy strukturą a funkcjonowaniem mózgu, wykorzystując w tym celu się techniki DW- -MRI oraz jej odmiany, np. DTI (diffusion tensor imaging, obrazowanie tensora dyfuzji). Metoda DTI stosowana jest do obrazowania środowisk anizotropowych, w których dyfuzja cząsteczek zachodzi nieprzypadkowo. Za przykład takiego środowiska może posłużyć tkanka nerwowa, w której dyfuzja cząsteczek zachodzi głównie wzdłuż włókien nerwowych, czyli w sposób ukierunkowany. Analiza szarości lub koloru piksela umożliwia wskazanie miejsca, gdzie w badanej płaszczyźnie dyfuzja jest nasilona, tj. ukazanie połączeń między różnymi strukturami mózgu [17] (rycina 1). Ciekawych wyników otrzymanych w oparciu o techniki DTI dostarczyły badania prowadzone na weteranach wojennych, zmierzające do poznania fizjologicznych uwarunkowań traum wojennych, oraz prace mające na celu wytłumaczenie, zrozumienie i rozbudowanie metod leczenia upośledzenia umysłowego u wcześniaków [22, 23]. Powszechnie wiadomo, że w przypadku organizmów rosnących i rozwijających się bardzo ważne jest, aby nie miały one kontaktu z promieniowaniem jonizującym [24]. Z tego też powodu metoda MRI znalazła zastosowanie jako uzupełnienie metody USG w diagnostyce wewnątrzmacicznej płodów oraz noworodków. W przypadku podejrzenia wad rozwojowych lub uszkodzeń mózgu z powodu np. hipotermii akcentowana metoda umożliwia 190 Tom 69 nr 3 2013

metody badań w farmacji i medycynie oszacowanie rozmiaru uszkodzeń mózgowia oraz ocenę ich potencjalnego wpływu na drogi nerwowe [23, 25, 26]. Poza obszarem neurologii badania tkanki nerwowej niezbędne są także w dziedzinie psychiatrii i psychologii. W tym względzie, oprócz DW-MRI, zastosowanie znajduje metoda fmri (functional MRI, funkcjonalne MRI) wykorzystująca zmiany przepływu krwi w mózgu (jedną z metod jest BOLD- -kontrast; blood-oxygen-level-dependent, kontrast zależny od stężenia tlenu we krwi), w której stopień szarości powstającego piksela determinuje wartość namagnesowania krwi o dużej bądź małej zawartości tlenu. Technikę fmri wykorzystuje się w ocenie reakcji mózgu na różne bodźce, np. w badaniach nad zdarzeniami traumatycznymi [27]. Metodologia DW-MRI jest również bardzo użyteczna w obszarze onkologii, gdzie wykorzystuje się fakt różnej intensywność dyfuzji i ruchów Browna cząsteczek wody w zależności od mikrośrodowiska panującego w komórce. Jest ono inne w komórkach zdrowych i zmienionych nowotworowo. Technika DW-MRI pozwala na wykrycie wczesnych zmian nowotworowych oraz umożliwia analizę reakcji guza na stosowaną terapię [28, 29, 30]. Jest to szczególnie ważne w leczeniu nowotworów ze względu na stosowanie leków cytostatycznych i promieniowania jonizującego, które niszczą wszystkie komórki organizmu. Z tego względu istotnym walorem DW-MRI jest możliwość redukcji czasu badania wpływu zastosowanej terapii na jej efektywność. We współczesnej kardiologii niezwykle popularną techniką diagnostyczną jest metoda EKG. Jednakże w ostatnim czasie, ze względu na swoje szerokie zastosowanie (rycina 2) coraz większą popularnością w tym obszarze cieszą się techniki MRI, ogólnie nazwane cmri (cardiac MRI, sercowe MRI). Pomimo swoich niepodważalnych zalet, technika EKG ma niewielkie okno akustyczne, a sama interpretacja elektrokardiogramu bywa bardzo trudna w przypadku chorobowo zmienionego serca z uwagi na inny przebieg wektorów pola elektrycznego [31]. Metody cmri obejmują m.in.: standardowe badanie MRI (celem ustalenia anatomicznej budowy serca), MRI z kontrastem gadolinowym (angiografia badanie naczyń; obrazowanie zwłóknień i stanów zapalnych; wykorzystuje się tutaj fakt wolniejszego wymywania środka kontrastowego z patologicznie zmienionych tkanek), metodę DHE (delayed hyperenhancement, opóźnione superwzmocnienie), pomiary prędkości przepływu krwi oraz jej natlenowania (perfusion imaging, obrazowanie natlenienia) [12]. Wszystkie te techniki znajdują zastosowanie w diagnostyce m.in.: amyloidozy sercowej (metody MRI dają możliwość ustalenia prognozowanej długości życia chorego), guzów serca oraz Tom 69 nr 3 2013 Rycina 1. Traktografia DTI MR. Ukazano różne obszary istoty białej: kolor fioletowy promienistości wzrokowe, kolor żółty droga korowo-rdzeniowa, kolor różowy obręcz, kolor zielony sklepienie, kolor pomarańczowy płat ciała modzelowatego, kolor cielisty pień ciała modzelowatego, kolor niebieski kolano ciała modzelowatego. Zmodyfikowano na podstawie [23] Choroby serca Charakterystyka tkanek Anatomia serca cmri Reakcja na stres Ryzyko incydentów Funkcjonowanie serca Rycina 2. Zastosowanie sercowego MRI. Zmodyfikowano na podstawie [12] zapalenia mięśnia sercowego. Ostatnie z wymienionych schorzeń stanowi przyczynę śmierci wielu młodych osób, ponieważ diagnoza stawiana jest na podstawie nietypowych objawów bądź też na podstawie wyników uzyskiwanych na drodze biopsji mięśnia sercowego, która jest pozytywna tylko u 10 25% pacjentów z tą przypadłością [12]. Poważnym przeciwwskazaniem do stosowania cmri w diagnostyce jest posiadanie wszczepionych rozruszników serca oraz jednego typu stentów, co jednakże w niewielkim stopniu ogranicza praktyczne zastosowanie wspomnianej metody [12]. Pomimo iż w okulistyce metoda MRI nie była szeroko stosowana z powodu mimowolnych 191

IZOFLURAN OBRAZ PET/MRI MYSZY KETAMINA/KSYLAZYNA OBRAZ PET/MRI CZŁOWIEKA Rycina 3. A-D: obrazy 18 FDG (ang. fluorodeoxyglucose fluodeoksyglukoza) PET/MRI myszy po różnych środkach znieczulających (K/X = ketamina/ksylazyna). Sygnały PET przedstawiono w okienkach. E-F: Autoradiografia myszy w przypadku znieczulenia izofluranem (E) i K/X (F). G: Stosunek SUV (ang. Standarized Uptake Value standaryzowana wartość pobierania) dla zawału mięśnia sercowego w obrazach 18 FDG. H-I: 18 FDG PET/CT obrazy pacjenta po zamknięciu tętnicy wieńcowej. Zmodyfikowano na podstawie [49] ruchów gałki ocznej skutkujących licznymi artefaktami, obecnie wzrasta liczba metod pozwalających na ocenę stopnia zaawansowania schorzeń okulistycznych [32]. Jedną z nich jest diagnoza jaskry na podstawie zwolnionego przepływu krwi w naczyniówce i siatkówce oka, mierzonego za pomocą MRI [33]. Endometrioza jest chorobą bardzo trudną do zdiagnozowania bez zastosowania metod inwazyjnych. Z tego powodu duże nadzieje wiąże się z metodą dynamicznego MRI (dynamic contrast-enhanced MRI) z użyciem środka kontrastowego na bazie gadolinu, będącą na razie w fazie badań klinicznych [34]. Zastosowanie środka kontrastowego pozwala na uwidocznienie nowo tworzących się naczyń krwionośnych w rozsianych fragmentach endometrium, co ma miejsce w endometriozie. Kompleksowe opracowanie metody DCE-MRI umożliwiłoby zlokalizowanie i określenie zasięgu powstałych zmian oraz usunięcie wszystkich ognisk choroby podczas interwencji laparoskopowej. Badania gęstości piersi przeprowadzane techniką trójwymiarowej T 1 -MRI umożliwiają znalezienie potencjalnych zmian nowotworowych, jednak uzyskana tą drogą dokładność wyników nie jest porównywalna z powszechnie stosowaną mammografią [35]. Obecnie zmierza się jednakże do udoskonalenia metod MRI, tak aby cechowały się one podobną dokładnością jak wspomniana mammografia. Jedną z najnowszych i ciągle doskonalonych odmian MRI jest CEST-MRI (chemical exchange saturation transfer, transfer nasycenia z chemiczną wymianą). Metoda APT-MRI (amide proton transfer, transfer protonu amidowego), będąca jedną z odmian CEST-MRI, pozwala na kontrastowanie tkanek w zależności od ich ph [36]. W tym aspekcie wskazuje się na wykorzystanie wspomnianych metod do diagnozy kwasicy niedokrwiennej [36]. Tomografia MRI znalazła również zastosowanie w obserwacji struktur anatomicznych podczas skomplikowanych operacji. Wówczas najczęściej używane są MRA (magnetic resonance angiography, angiografia rezonansu magnetycznego) i MRCP (magnetic resonance cholangiopancreatography, cholangiopankreatografia rezonansu magnetycznego). Synergia tych technik używana jest m.in. podczas usuwania skrzepów z tętnicy płucnej oraz wprowadzania przezszyjnej wewnątrzwątrobowej przetoki wrotno-systemowej [37]. W obu procedurach precyzja jest niezbędna, gdyż jej brak może prowadzić do uszkodzenia otaczających tkanek, a nawet zgonu pacjenta. Ponadto technika MRI znalazła zastosowanie w operacjach przezodbytniczych prostaty. Odbyły się już pierwsze próby systemu APT (access to the prostate tissue II, dostęp do tkanki prostaty II) działającego w ten sposób [38]. Intensywnie prowadzone prace badawcze uwzględniają również możliwość wykorzystania technik MRI w inwazyjnych metodach diagnostycznych. Naczyniowa endoskopia MRI oferuje szerokie możliwości obrazowania ścian naczyń krwionośnych, w tym ewentualnych płytek miażdżycowych oraz zwapnień [39]. W tym aspekcie, dzięki zastosowaniu technik MRI, istnieje możliwość oceny ryzyka pęknięcia płytki miażdżycowej, co jest szczególnie ważne dla diabetyków, gdyż cukrzyca typu 2 jest czynnikiem ryzyka miażdżycy. Ponadto, u tych chorych o wiele częściej odnotowywane są płytki miażdżycowe o dużym ryzyku pęknięcia, a MRI może być użyte do ustalenia prawdopodobieństwa wystąpienia stanu zagrożenia życia u pacjentów z miażdżycą [40]. Technika MRI znajduje zastosowanie także w nieinwazyjnym obrazowaniu naczyń krwionośnych. Obecnie w fazie badań klinicznych jest metoda obrazowania makrofagów we wczesnych stadiach tętniaków aorty brzusznej [41]. 192 Tom 69 nr 3 2013

metody badań w farmacji i medycynie Tom 69 nr 3 2013 Rycina 4. A - obraz MRI szczura po iniekcji roztworem 18 F; B - obraz PET szczura po iniekcji roztworem 18 F; C obraz PET/MR szczura uzyskany na aparacie Siemens Medical Solution. Zmodyfikowano na podstawie [46] Tomografia MRI jest również stosowana w połączeniu z innymi metodami obrazowania. Rosnący odsetek odnotowywanych obecnie przypadków stłuszczenia wątroby, prowadzącego do jej niewydolności, skutkuje coraz częstszym synergistycznym użyciem technik NMR i MRI, co umożliwia stosunkowo dokładne wyznaczenie ilości tkanki tłuszczowej odłożonej w wątrobie [42]. W tym względzie analiza NMR pozwala na wyznaczenie częstości rezonansowych atomów wodoru wchodzących w skład cząsteczek tłuszczów i wody. W kolejnych badaniach wątroby używa się MRI o dwóch różnych czasach echa: jednego, dla którego sygnał od cząsteczek wody i tłuszczów są w tej samej fazie, oraz drugiego, w którym sygnały te są w przeciwnych fazach. Procentową zawartość tłuszczu oszacować można na podstawie utraty sygnału MRI dla różnych czasów echa. Równoległe użycie wzajemnie się uzupełniających technik NMR i MRI jest także stosowane w kompleksowej analizie, ocenie i badaniu guzów nowotworowych [43]. Użyteczność metod diagnostyki radiologicznej CT i PET została już wykorzystana w postaci jednego aparatu [44]. Powstały także pierwsze urządzenia będące połączeniem PET i MRI (w Europie są m.in. w Monachium [45]), lecz nadal trwają badania mające na celu ich udoskonalenie [46]. Stanowią one interesującą alternatywę w porównaniu z synergią CT i PET, gdyż nie narażają pacjenta na promieniowanie jonizujące. Dodatkowo, trwają badania nad specjalnymi środkami kontrastowymi (np. nanocząsteczki tlenku żelaza znakowane izotopem radioaktywnym), które uwidoczniałyby badane struktury z wykorzystaniem zarówno techniki MRI, jak i PET [47, 48]. Hybrydy MRI i PET znalazły już zastosowanie, m.in. w kardiologii przy ocenie rozległości zapalenia mięśnia sercowego po zawale (rycina 3) [49]. Generalnie, zastosowanie połączenia PET i MRI umożliwia jednoczesne obserwowanie struktur anatomicznych i procesów fizjologicznych (rycina 4). Poza aspektami diagnostycznymi nowoczesne techniki MRI stanowią cenne narzędzie wykorzystywane w badaniach naukowych. Przykładem takiego zastosowania jest badanie rozmieszczenia analizowanego ksenobiotyku na funkcjonowanie poszczególnych organów, jak np. ocena rozmieszczenia analitu po zaaplikowaniu go do gałki ocznej oraz jego eliminacja z tej tkanki [50]. W tym wypadku zastosowanie metod MRI z powodzeniem umożliwia nieinwazyjne oszacowanie szybkości eliminacji danego ksenobiotyku w dowolnym przedziale czasowym. Podobnie rzecz się ma w badaniach stopnia natlenowania krwi w mózgu po podaniu środków znieczulających [51]. Jest to bardzo ważne ze względu na obumieranie mózgu bez tlenu oraz niezdolność tkanki nerwowej do regeneracji. Warto przy tym wspomnieć, iż przy tego typu badaniach stosowane są znacznie silniejsze pola magnetyczne, jednakże nie ma to żadnych negatywnych konsekwencji klinicznych [51]. Biorąc pod uwagę różnorodność zastosowań technik wykorzystujących zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego w medycynie, nie sposób nie zauważyć mnogości ich walorów diagnostycznych, terapeutycznych i naukowych. Różnorodność technik MRI sprawia, że są one wykorzystywane nie tylko jako metody uwidaczniające struktury anatomiczne, ale również dające wgląd w przebieg procesów fizjologicznych, takich jak połączenia neuronalne, tworzenie nowych naczyń krwionośnych, natlenowanie tkanki itp. Obserwowany postęp w obszarze technik diagnostycznych oraz wysoka użyteczność omówionych metod obrazowania uprawnia autorów niniejszego opracowania do stwierdzenia, że kolejne osiągnięcia w tym względzie, których szczegółowa analiza znacząco przekracza ramy prezentowanej dysertacji, leżą w obszarze zainteresowania współczesnej medycyny i skutkować będą niewątpliwie intensyfikacją podejmowanych w tej dziedzinie badań. Praca powstała przy wsparciu: grantu Studenckich Badań Naukowych Uniwersytetu Medycznego im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu (grant SBN nr 126/2012) oraz stypendium dla doktorantów Wielkopolski uzyskanego przez mgra farm. Jacka Kujawskiego w ramach programu: Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski, Poddziałanie 8.2.2 Regionalne Strategie Innowacji, Działanie 8.2, Priorytet VIII, Program Operacyjny Kapitał Ludzki. Otrzymano: 2012.08.01 Zaakceptowano: 2013.01.09 193

Piśmiennictwo 1. Kujawski J., Kujawski R.: Spektroskopia NMR w nowoczesnej farmacji i medycynie znaczenie i przykłady wykorzystania. Część I. Farmacja Polska. Styczeń 2012, 68(1): 54 62. 2. Kaflak-Hachulska A., Samoson A., Kolodziejski W.: 1 H MAS and 1 H 31 P CP/MAS NMR Study of Human Bone Mineral. Calcif Tissue Int. Październik 2003, 73(5) 476 486. 3. Nakayama S., Clark J.F.: Smooth muscle and NMR review. An overview of smooth muscle metabolism. Mol Cell Biochem. Luty 2003, 244 (1 2): 17 30. 4. Pucar D., Dzeja P.P., Bast P., Gumina R.J., Drahl C., Lim L., Juranic N., Macura S., Terzic A.: Mapping hypoxia-induced bioenergetic rearrangements and metabolic signaling by 18 O-assisted 31 P NMR and 1 H NMR spectroscopy. Mol Cell Biochem. Styczeń-Luty 2004, 256/257(1 2): 281 289. 5. Khan A.R., Rana P., Tyagi R., Kumar I. P., Devi M.M., Javed S., Tripathi R.P., Khushu S.: NMR spectroscopy based metabolic profiling of urine and serum for investigation of physiological perturbations during radiation sickness. Metabolomics. Grudzień 2011, 7(4) 583 592. 6. Shaykhutdinov R.A., MacInnis G.D., Dowlatabadi R., Weljie A.M., Vogel H.J.: Quantitative analysis of metabolite concentrations in human urine samples using 13 C{ 1 H} NMR spectroscopy. Metabolomics. Wrzesień 2009, 5(3): 307 317. 7. Prokop M., Galanski M., van der Molen A.J., Schaefer-Prokop C.: Spiralna i wielorzędowa tomografia komputerowa człowieka. Wyd. 1. Warszawa: MediPage, 2007. 8. Nowak S., Rudzki K., Piętka E., Czech E.: Zarys medycyny nuklearnej. Wyd. 1. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 1998. 9. Ciesielski B., Kuziemski W.: Obrazowanie metodą magnetycznego rezonansu w medycynie. Wyd. 1. Toruń: Oficyna Wydawnicza TUTOR, 1994. 10. Hausser K.H., Kalbitzer H.R.: NMR w biologii i medycynie: Badania strukturalne, tomografia, spektroskopia in vivo. Wyd. 2. Poznań: Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, 1993. 11. Vitaliano G.D., Vitaliano F., Rios J.D., Renshaw P.F., Teicher M.H.: New Clathrin-Based Nanoplatforms for Magnetic Resonance Imaging. PloS One. Maj 2012. 7(5): e35821. 12. Shah S. Chryssos E.D., Parker H.: Magnetic Resonance Imaging: A Wealth of Cardiovascular Information. The Ochsner Journal. Zima 2009, 9(4): 266 277. 13. Chen Y., Yin Q., Ji X., Zhang S., Chen H., Zheng Y., Sun Y., Qu H., Wang Z., Li Y., Wang X., Zhang K., Zhang L., Shi J.: Manganese oxide- -based multifunctionalized mesoporous silica nanoparticles for ph- -responsive MRI, ultrasonography and circumvention of MDR in cancer cells. Biomaterials 2012. Październik 2012, 33(29): 7126 7137. 14. Huang J., Zhong X., Wang L., Yang L., Mao H.: Improving the Magnetic Resonance Imaging Contrast and Detection Methods with Engineered Magnetic Nanoparticles. Theranostics. Styczeń 2012, 2(1): 86 102. 15. Bardin J.C., Fins J.J., Katz D.I., Hersh J., Heier L.A., Tabelow K., Dyke J.P., Ballon D.J., Schiff N.D., Voss H.U.: Dissociations between behavioural and functional magnetic resonance imaging-based evaluations of cognitive function after brain injury. Brain. Marzec 2011, 134(3): 769 782. 16. Hunt J.S. Jr, Theilmann R.J., Smith Z.M., Scadeng M., Dubowitz D.J.: Cerebral diffusion and T(2): MRI predictors of acute mountain sickness during sustained high-altitude hypoxia. J Cereb Blood Flow Metab. Grudzień 2012. Publikacja dostępna w wersji elektronicznej, obecnie w przygotowaniu do druku. 17. Jack C.R. Jr, Bernstein M.A., Borowski B.J., Gunter J.L., Fox N.C., Thompson P.M., Schuff N., Krueger G., Killiany R.J., DeCarli C.S., Dale A.M., Carmichael O.W., Tosun D., Weiner M.W.: Update on the MRI Core of the Alzheimer s Disease Neuroimaging Initiative. Alzheimers Dementia. Maj 2010, 6(3): 212 220. 18. Kolasinski J., Stagg C.J., Chance S.A., DeLuca G.C., Esiri M.M., Chang E.H., Palace J.A., McNab J.A., Jenkinson M., Miller K.L., Johansen- -Berg H.: A combined post-mortem magnetic resonance imaging and quantitative histological study of multiple sclerosis pathology. Brain. Październik 2012, 135(10): 2938 2951. 19. Neema M., Arora A., Healy B.C., Guss Z.D., Brass S. D., Duan Y., Buckle G. J., Glanz B.I., Stazzone L., Khoury S.J., Weiner H.L., Guttmann C.R., Bakshi R.: Deep Gray Matter Involvement on Brain MRI Scans Is Associated with Clinical Progression in Multiple Sclerosis. J Neuroimaging. Styczeń 2009, 19(1): 3 8. 20. Akhlaghpoor S., Ghahari A., Morteza A., Khalilzadeh O., Shakourirad A., Alinaghizadeh M.R.: Quantitative T2* magnetic resonance imaging for evaluation of iron deposition in the brain of β-thalassemia patients. Clinical Neuroradiology. Wrzesień 2012, 22(3): 211 217. 21. Yan S.Q., Sun J.Z., Yan Y.Q., Wang H., Lou M.: Evaluation of Brain Iron Content Based on Magnetic Resonance Imaging (MRI): Comparison among Phase Value, R2* and Magnitude Signal Intensity. PloS One. Luty 2012, 7(2): e31748. 22. Jorge R.E., Acion L., White T., Tordesillas-Gutierrez D., Pierson R., Crespo-Facorro B., Magnotta V.A.: White matter abnormalities in veterans with mild traumatic brain injury. Am J Psychiatry. Grudzień 2012, 169(12): 1284 1291. 23. Mathur A.M., Neil J.J., Inder T.E.: Understanding Brain Injury and Neurodevelopmental Disabilities in the Preterm Infant: The Evolving Role of Advanced MRI. Semin Perinatol. Luty 2010, 34(1): 57 66. 24. Szymańska M.: Biologiczne skutki promieniowania jonizującego. www.atomowyautobus.pl/referaty/biologiczne_ref.pdf (stan z 07.12.2012). 25. Ganesh R.B., Ramamurthy B.S.: Pictorial Essay: MRI of the fetal brain. Indian Journal of Radiology and Imaging. Luty 2009, 19(1): 69 74. 26. Glass H.C., Nas K.B., Bonifacio S.L., Barkovich A.J., Ferriero D.M., Sullivan J.E., Cilio M.R.: Seizures and MRI brain injury in newborns cooled for hypoxic ischemic encephalopathy. J Pediatr. Listopad 2011, 159(5): 731 735. 27. Whalley M.G., Kroes M.C., Huntley Z., Rugg M.D., Davis S.W., Brewin C.R.: An fmri investigation of posttraumatic flashbacks. Brain Cogn. Luty 2013, 81(1): 151 159. 28. Padhani A.R., Liu G., Mu-Koh D., Chenevert T.L., Thoeny H.C., Takahara T., Dzik-Jurasz A., Ross B.D., Van Cauteren M., Collins D., Hammoud D.A., Rustin G.J.S., Taouli B., Choyke P.L.: Diffusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging as a Cancer Biomarker: Consensus and Recommendations. Neoplasia. Luty 2009, 11(2): 102 125. 29. Thoeny H.C., Ross B.D.: Predicting and Monitoring Cancer Treatment Response with DW-MRI. J Magn Reson Imaging. Lipiec 2010, 32(1): 2 16. 30. Li S.P., Padhani A.R.: Tumor response assessments with diffusion and perfusion MRI. J Magn Reson Imaging. Kwiecień 2012, 35(4): 745 763. 31. Garcia T.B., Holtz N.E.: EKG: sztuka interpretacji. Wyd. 1. Warszawa: MediPage, 2007. 32. Fanea L., Fagan A.J.: Review: Magnetic resonance imaging techniques in ophthalmology. Mol Vis. Październik 2012, 18: 2538 2560. 33. Lavery W.J., Muir E.R., Kiel J.W., Duong T.Q.: Magnetic resonance imaging indicates decreased choroidal and retinal blood flow in the DBA/2J mouse model of glaucoma. Invest Ophthalmol Vis Sci. Luty 2012, 53(2): 560 564. 34. Schreinemacher M.H., Backes W.H., Slenter J.M., Xanthoulea S., Delvoux B., van Winden L., Beets-Tan R.G., Evers J.L.H., Dunselman G.A.J., Romano A.: Towards Endometriosis Diagnosis by Gadofosveset-Trisodium Enhanced Magnetic Resonance Imaging. PLoS One. Marzec 2012, 7(3): e33241. 35. Thompson D.J., Leach M.O., Kwan-Lim G., Gayther S.A., Ramus S.J., Warsi I., Lennard F., Khazen M., Bryant E., Reed S., Boggis C.R.M., Evans D.G., Eeles R.A., Easton D.F., Warren R.M.L.: Assessing the usefulness of a novel MRI-based breast density estimation algorithm in a cohort of women at high genetic risk of breast cancer: the UK MARIBS study. Breast Cancer Res. 2009, 11(6): R80. 36. Sun P.Z., Cheung J. S., Wang E., Benner T., Sorensen A. G.: Fast multi-slice ph-weighted chemical exchange saturation transfer (CEST) MRI with uneven segmented RF irradiation. Magn Reson Med. Luty 2011, 65(2): 588 594. 37. Saybasili H., Faranesh A.Z., Saikus C.E., Ozturk C., Lederman R.J., Guttman M. A.: Interventional MRI using Multiple 3D Angiography Roadmaps with Real-time Imaging. J Magn Reson Imaging. Kwiecień 2010, 31(4): 1015 1019. 38. Krieger A., Iordachita I.I., Guion P., Singh A.K., Kaushal A., Menard C., Pinto P. A., Camphausen K., Fichtinger G., Whitcomb L.L.: An MRI-Compatible Robotic System With Hybrid Tracking for MRI-Guided Prostate Intervention. IEEE Trans Biomed Eng. Listopad 2011, 58(11): 3049 3060. 39. Sathyanarayana S., Schär M., Kraitchman D.L., Bottomley P.A.: Towards Real-Time Intravascular Endoscopic Magnetic Resonance Imaging. JACC Cardiovasc Imaging. Listopad 2010, 3(11): 1158 1165. 40. Eposito L., Saam T., Heider P., Bockelbrink A., Pelisek J., Sepp D., Feurer R., Winkler C., Liebig T., Holzer K., Pauly O., Sadikovic S., Hemmer B., Poppert H.: MRI plaque imaging reveals high-risk carotid plaques especially in diabetic patients irrespective of the degree of stenosis. BMC Medical Imaging. 30 Listopad 2010, 10: 27. 41. Yao Y., Wang Y., Zhang Y., Li Y., Sheng Z., Wen S., Ma G., Liu N., Fang F., Teng G. J.: In Vivo Imaging of Macrophages during the Early-Stages of Abdominal Aortic Aneurysm Using High Resolution MRI in ApoE / Mice. PLoS One. Marzec 2012, 7(3): e33523. 42. Reeder S.B., Sirlin C.: Quantification of Liver Fat with Magnetic Resonance Imaging. Magn Reson Imaging Clin N Am. Sierpień 2010, 18(3): 337 357. 194 Tom 69 nr 3 2013

metody badań w farmacji i medycynie 43. Kauppinen R.A., Peet A.C.: Using magnetic resonance imaging and spectroscopy in cancer diagnostics and monitoring: Preclinical and clinical approaches. Cancer Biology & Therapy. Październik 2011, 12(8): 665 679. 44. Jacobs M.A., Ouwerkerk R., Wolff A.C., Gabrielson E., Warzecha H., Jeter S., Bluemke D.A., Wahl R., Stearns V.: Monitoring of neoadjuvant chemotherapy using multiparametric, 23 Na sodium MR, and multimodality (PET/CT/MRI) imaging in locally advanced breast cancer. Breast Cancer Res Treat. Lipiec 2011, 128(1): 119 126. 45. Balyasnikova S., Löfgren J., de Nijs R., Zamogilnaya Y., Højgaard L., Fischer B. M.: PET/MR in oncology: an introduction with focus on MR and future perspectives for hybrid imaging. Am J Nucl Med Mol Imaging 2012, 2(4): 458 474. 46. Pichler B., Wehrl H.F., Kolb A., Judenhofer M.S.: PET/MRI: The next generation of multi-modality imaging? Semin Nucl Med. Maj 2008, 38(3): 199 208. 47. Glaus C., Rossin R., Welch M.J., Bao G.: In vivo evaluation of 64 Cu-labeled Magnetic Nanoparticles as a Dual-Modality PET/MR Imaging Agent. Bioconjug Chem. Kwiecień 2010, 21(4): 715 722. 48. Xie J., Chen K., Huang J., Lee S., Wang J., Gao J., Li X., Chen X.: PET/ NIRF/MRI Triple Functional Iron Oxide Nanoparticles. Biomaterials. Kwiecień 2010, 31(11): 3016 3022. 49. Lee W.W., Marinelli B., van der Laan A.M., Sena B.F., Gorbatov R., Leuschner F., Dutta P., Iwamoto Y., Ueno T., Begieneman M.P., Niessen H.W., Piek J.J., Vinegoni C., Pittet M.J., Swirski F.K., Tawakol A., Di Carli M., Weissleder R., Nahrendorf M.: PET/MRI of inflammation in myocardial infarction. J Am Coll Cardiol. Styczeń 2012, 59(2) 153 163. 50. Li S.K., Lizak M.J., Jeong E.K.: MRI in ocular drug delivery. NMR Biomed. Listopad 2008, 21(9): 941 956. 51. Ciobanu L., Reynaud O., Uhrig L., Jarraya B., Le Bihan D.: Effects of Anesthetic Agents on Brain Blood Oxygenation Level Revealed with Ultra-High Field MRI. PloS One. Marzec 2012. Tom 7, nr 3, e32645. Tom 69 nr 3 2013 195