Сотрудники Международного томографического центра СО РАН (Новосибирск), Нижегородского государственного
технического университета имени Р.Е. Алексеева и Института элементоорганических соединений
им. А.Н. Несмеянова РАН (Москва) увеличили чувствительность анализа селенсодержащих соединений методом
ядерного магнитного резонанса (ЯМР), в котором структуру вещества оценивают по тому, как магнитные
моменты ядер атомов в молекуле ведут себя в магнитном поле.
Новая методика повысила чувствительность ЯМР для изотопа селена-77 к магнитному полю и в 12 тысяч раз
усилила сигнал от его ядер. Предложенный подход позволяет выявлять даже микромолярные концентрации
селенсодержащих соединений, благодаря чему может использоваться для изучения биологически активных веществ с
потенциальными противоопухолевыми и антимикробными свойствами. Результаты исследования, поддержанного
грантом Российского научного фонда
(РНФ), опубликованы в Journal of the American
Chemical Society.
Для исследования структуры веществ, в том числе потенциальных лекарств, используют метод ядерного
магнитного резонанса (ЯМР). В рамках этого подхода молекулу помещают в магнитное поле, под действием
которого собственные магнитные моменты (спины) её ядер ориентируются. В результате ядра поглощают или
испускают определённые — специфичные для разных элементов, — радиочастотные сигналы, по которым можно
определить химический состав и молекулярную структуру соединений.
Молекула селендиазола,
поляризованная с помощью параводорода
Однако спины не всех ядер достаточно интенсивно реагируют на магнитное поле, из-за чего сигнал от них
получается слишком слабым для детектирования спектра ЯМР. Особенно сильно это проявляется в случае редких
изотопов — вариантов одного и того же атома с разной массой. Один из них — селен-77 — играет важную роль в
биологии и медицине, поскольку входит в состав ферментов, например, защищающих клетки от окислительного
стресса, и перспективных противоопухолевых препаратов. Поэтому для его обнаружения в молекулах приходится
использовать методы, позволяющие усилить сигнал, но они затратны, требуют сложного оборудования и крайне
низких температур, а потому сложны в реализации.
Авторы исследования нашли
простой способ на порядки усилить сигналы ядерного магнитного резонанса при анализе селенсодержащих молекул.
В рамках нового подхода исследуемое вещество помещают в магнитное поле вместе с иридиевым катализатором.
Затем через раствор пропускают параводород — форму молекулы водорода, в которой магнитные моменты (спины)
ядер ориентированы в противоположных направлениях. Такое соединение «невидимо» для детектирующего прибора,
поэтому его присутствие не искажает результаты анализа. Параводород и исследуемая молекула обратимо и
ненадолго связываются с катализатором, и в этом комплексе поляризация ядер водорода переносится сначала на
спин ядра азота, а затем на спин ядра селена-77 в анализируемой молекуле, при этом сигнал ЯМР селена-77
значительно усиливается.
Описанный процесс по времени длится всего несколько секунд и осуществляется при комнатной температуре,
поэтому оказывается гораздо быстрее и намного дешевле других методов создания ядерной гиперполяризации.
Главным условием успеха было оптимальное магнитное поле, почти в 100 раз слабее магнитного поля Земли,
которое обеспечило высокую эффективность переноса поляризации. Для его создания учёные использовали
магнитный экран.
Сотрудники МТЦ СО РАН у
ЯМР-спектрометра с переключением магнитного поля. Слева направо: Алексей Кирютин, Александра Юрковская,
Данил Маркелов
Авторы применили предложенный способ для анализа селенсодержащего органического соединения с потенциальной
антимикробной и противоопухолевой активностью. С помощью нового подхода исследователи в 12 000 раз усилили
сигнал от ядер селена и зарегистрировали в образце редкие молекулы с двумя ядерными изотопами в своём
составе — селеном-77 и азотом-15, — доля которых составила всего 0,028 % от общего количества исследуемых
молекул.
Разработанный метод будет особенно ценен при изучении перспективных селенсодержащих препаратов, в
частности соединений класса селендиазолов, которые демонстрируют выраженную противоопухолевую и
антимикробную активность.
«Предложенная технология перспективна сразу в нескольких областях науки. В фармацевтике она может
значительно ускорить разработку новых лекарственных препаратов и агрохимикатов. В биомедицинских
исследованиях открывает уникальные возможности для мониторинга биохимических процессов с участием
селена. Кроме того, метод обещает революционные изменения в диагностической медицине, где на его основе
можно будет создать новые высокочувствительные контрастные агенты для магнитно-резонансной томографии. В
дальнейшем мы планируем прейти к ещё более эффективному методу создания поляризации с использованием
колеблющихся на аудиочастотах электромагнитных полей, сравнимых по напряжённости с полем Земли. Мы хотим
избежать использования при этом магнитного экрана и получить тем самым возможность создавать портативные
поляризаторы для биомедицинских приложений», — рассказывает руководитель проекта,
поддержанного грантом РНФ, Алексей Кирютин, кандидат химических наук,
старший научный сотрудник лаборатории фотохимических радикальных реакций Международного томографического
центра СО РАН.
Источник: пресс-служба РНФ.