VIVOS VOCO: Нобелевская премия в области физиологии и медицины за 2003 г.

Пол Лаутербур (Paul C.Lauterbur) родился в 1929 г. в Сиднее (штат Огайо, США), окончил Технологический институт Кейза в Кливленде, а в 1962 г. получил докторскую степень по химии в Университете Питсбурга (Пенсильвания). С 1969-го по 1985 г. был профессором химии и радиологии в Нью-Йоркском университете (Стони Брук). В 1985-1990 гг. - профессор медицинского колледжа Иллинойского университета. Сегодня он - профессор и директор биомедицинской магнитно-резонансной лаборатории медицинского центра в Университете штата Иллинойс (Урбана-Шампейн). Вся научная карьера Лаутербура связана с методом ядерного магнитного резонанса. Он первым обнаружил анизотропные химические сдвиги в монокристаллах, применив метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на ядрах ³¹P, ¹⁹F и ¹³C, а также опубликовал спектры ЯМР соединений олова. Известны также и пионерные работы Лаутербура, посвященные ЯМР-исследованию белков на ядрах ¹³С.

В 1972 г. Лаутербур получил первое в мире двухмерное ЯМР-изображение двух стеклянных капилляров, заполненных жидкостью (правда, на это ушло более 4 часов). Через год он опубликовал в журнале “Nature” статью, в которой были представлены трехмерные изображения объектов, полученные по спектрам протонного магнитного резонанса (ПМР) воды из этих объектов. Эта работа и легла в основу метода магнитной резонансной томографии (МРТ). Первые томографы для исследования тела человека появились в клиниках в 1980-1981 гг., а сегодня томография стала целой областью медицинской диагностики (рис.1).

Рис.1. Томограммы среза мозга человека (на врезке)
и голеностопного сустава с переломом.

В чем заслуга Лаутербура? Ведь само по себе явление ядерного (в том числе протонного) магнитного резонанса уже было известно. В 1946 г. американские физики Ф.Блох и Р.Пурселл независимо друг от друга открыли явление ядерного магнитного резонанса для жидкостей и твердых тел. В 1952 г. за эту работу оба были удостоены Нобелевской премии по физике, а сам ЯМР начал использоваться в физической и органической химии, физике твердых тел, биофизике и биохимии.

Ядерный магнитный резонанс основан на том, что в магнитном поле ядра атомов поглощают электромагнитные колебания. В процессе могут участвовать только ядра, обладающие магнитными свойствами (количественно это выражается моментом ядра). Наибольшее отношение магнитного момента к массе у ядер атомов водорода, протонов. Поскольку биологические объекты состоят в основном из воды, содержащей протоны, то каждый участок организма, помещенный в магнитное поле, поглощает электромагнитные колебания. Однако этот процесс наблюдается лишь в том случае, когда энергия квантов электромагнитного колебания достаточна для изменения ориентации протонов (рис.2). Например, в нашем теле электромагнитные волны при заданной частоте будут поглощаться протонами только при совершенно определенной напряженности внешнего магнитного поля. Это и есть условие резонанса (отсюда ПМР - протонный магнитный резонанс).

Рис. 2. Резонансное поглощение протонов в магнитном поле. При поглощении электромагнитных колебаний направление магнитного момента изменяется на противоположное и электроны переходят с нижнего уровня на верхний. Поглощение возможно, когда энергия кванта электромагнитной волны (E = ђn) равна разнице в энергии уровней (DE), которая в свою очередь пропорциональна напряженности магнитного поля B.

Суть изобретения Лаутербура в том, что он помещал исследуемые объекты не в однородное магнитное поле (как химики, изучая структуру и свойства молекул в растворах), а в магнитное поле, имеющее плавно меняющуюся напряженность (градиент). В этих условиях резонансное поглощение наблюдается не по всему телу, а только в плоскости сечения, в которой соблюдается резонанс (рис.3). Если плавно менять напряженность поля при сохранении градиента, то плоскость, где протоны поглощают электромагнитные колебания, будет сдвигаться. Так одно за другим можно измерять поглощение в разных слоях объекта. Определить поглощение в определенной точке можно, последовательно измеряя его при прохождении волн сверхвысокой частоты через объект, к которому приложено магнитное поле с градиентами по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Рис. 3. Резонансное поглощение СВЧ в градиентном магнитном поле. К объекту приложено градиентное магнитное поле, напряженность которого растет слева направо. В плоскости 1 напряженность поля B₁ равна напряженности поля B₀, соответствующей условию резонанса, и наблюдается поглощение СВЧ-волн. Если изменить напряженность градиентного магнитного поля до B₂ или B₃, соответственно поглощение сдвинется в плоскость 2 или 3.

Таким образом, наблюдать сигнал от небольших участков образца позволяет неоднородное магнитное поле. Изменяя его во времени и пространстве, можно получать сигнал от разных участков объекта и создавать пространственную картину. Неоднородность поля резко снижает интенсивность сигнала образца (так как реагирует только малая часть). В связи с этим наблюдать сигналы можно только от ядер, находящихся в высокой концентрации, - в организме человека и животных - в молекулах воды. При подаче импульсов сверхвысокой частоты в виде определенных сигналов, следующих друг за другом, можно различить свободные молекулы воды и молекулы, связанные с белковыми и иными структурами в ткани. Это обстоятельство дает возможность отличить сигналы ткани от таковых межтканевой жидкости и тканей разной плотности.

Однако возможность получения электрических сигналов - это лишь половина современного метода магнитно-резонансной томографии. Обработка, сигналов поступающих от датчиков томографа, требует огромного объема вычислений, осуществляемых мощным компьютером. В основе математических расчетов лежат преобразования Фурье, которые широко используются сейчас и во многих других областях, к примеру, при записи музыкальных мелодий в цифровом формате. Большая заслуга в разработке математического аппарата, позволяющего строить пространственные изображения объектов на основе анализа электрических сигналов, принадлежит второму нобелевскому лауреату - Питеру Мэнсфилду.

Питер Мэнсфилд (Peter Mansfield) - уроженец Великобритании (1933 г.), окончил колледж Королевы Марии Лондонского университета в 1959 г. и там же через три года получил степень доктора философии по физике. Затем в течение двух лет стажировался на физическом факультете Иллинойского университета, с 1964 г. преподавал на физическом факультете Ноттингемского университета. В 1972-1973 гг. был приглашенным профессором в отделе медицинских исследований Института Макса Планка, с 1979 г. - профессор физического факультета Ноттингемского университета. В настоящее время работает в Центре магнитных исследований отделения физики и астрономии Ноттингемского университета. За свои научные заслуги Мэнсфилд в 1983 г. был награжден золотой медалью международного Общества по применению магнитного резонанса в медицине (Society of Magnetic Resonance in Medicine), а в 1995 г. - золотой медалью Европейского общества радиологов, почетной премией Европейского общества по изучению магнитного резонанса (European Magnetic Resonance Society).

Открытие Мэнсфилда, которое вначале могло показаться сугубо теоретическим, оказалось вторым краеугольным камнем нового эффективного метода получения изображений внутренних органов человека. В наше время этот метод вошел в повседневную практику обследования пациентов. Сегодня, спустя 30 лет после открытия магнитно-резонансной томографии, ежегодно проводится около 60 млн таких исследований. МРТ широко используется в предоперационных обследованиях, что особенно важно для микрохирургии; она незаменима при диагностике многих заболеваний, в первую очередь раковых, поскольку позволяет точно определить локализацию опухоли и метастазов.

Интересно проследить динамику Нобелевских премий в области компьютерной томографии. В 1979 г. премия по медицине была присуждена Г.Н.Хаунсфилду и А.М.Кормаку за разработку компьютерного рентгеновского сканирующего томографа (Природа. 1980. №1. С.91-93); в 1991 г. премию по химии получил Р.Эрнс за развитие методов спектроскопии ядерного магнитного резонанса (Природа. 1992. №1. С.96-99), а в 2002 г. - К.Вютрих за разработку ЯМР-спектроскопии для определения третичной структуры макромолекул в растворе (Природа. 2003. №1. С.75-80).

Работа лауреатов 2003 г. Лаутербура и Мэнсфилда во многом способствовала развитию одного из ведущих методов неинвазивной диагностики. Современные магнитно-резонансные томографы с высокой разрешающей способностью могут различать объекты, находящиеся на расстоянии в 10 мкм. Применение контрастирующих веществ позволяет изучать кровеносную систему органов и тканей, обнаруживать сужение капиллярного русла и участки тромбоза. Измерение времени релаксации протонов дает возможность получать не только трехмерную картину органа или ткани, но и измерять скорость кровотока в ней. Значение этого метода для медицины сравнимо лишь с применением рентгеновских лучей для диагностики, не говоря о том, что магнитно-резонансная томография безвредна и во многих случаях дает результаты, которые трудно получить рентгеновскими методами.

© Владимиров Ю.А., академик РАМН
Осипов А.Н., доктор биологических наук
Российский государственный медицинский университет
Москва