Najważniejsze techniki dwuwymiarowej spektroskopii NMR TechnikaInformacja Korelacje poprzez homojądrowe J ij; współrzędne δ(H i ), δ(H j ) Cosy (Correlation spectroscopy)sprzężenia par jąder DQCOSY (Double-Quantum Correlation COSY ) lepiej czytelne COSY, brak sygnałów singletowych na diagonali TOCSY (total correlation spectroscopy)wszystkie sprzężenia w obrębie całego układu spinowego Korelacje poprzez heterojądrowe J ij; współrzędne δ(X i ), δ(H j ) (detekcja odwrotna) HSQC (heteronuclear single quantum correlation) sprzężenia przez jedno wiązanie HMBC (heteronuclear multi bondcorrelation) sprzężenia przez więcej niż jedno wiązanie HMQC (heteronuclear multi quantum correlation) sprzężenia przez jedno lub więcej wiązań (mniej selektywne) Korelacje poprzez oddziaływania dipolowe (NOE); współrzędne δ(H i ), δ(H j ) NOESY (NOE spectroscopy) odległość pomiędzy H i i H j ; zanika jeśli ω 0 c ~1 ROESY (rotating frame NOE SY) odległości międzyjądrowe; działa również dla ω 0 c =1 Korelacje przez wymianę chemiczną; współrzędne δ(X i ), δ(X j ) EXSY (exchange SY)schemat i szybkość wymiany chemicznej

NMR w medycynie

MRI (tomografia) MRS Spektroskopia in vivo NMR szerokich linii Wysokorozdzielcza spektroskopia NMR (in vitro) Techniki pomiarowe wykorzystujące zjawisko NMR rozdzielczość przestrzenna rozdzielczość w skali częstości

MRI Typy obrazów MRI proton density MRI - stopień uwodnienia i morfologia tkanek relaxation-weighted MRI – właściwości relaksacyjne i morfologia tkanek diffusion-weighted MRI - łatwość samorzutnego przemieszczania się płynów perfusion-weighted MRI – angiografia, przepływ krwi functional MRI - reakcja mózgu na bodźce molecular MRI - obrazowanie z filtrem MRS - rozkład stężeń określonego metabolitu lub grupy metabolitów

Uzyskiwanie obrazów MRI Selektywne wytwarzanie magnetyzacji poprzecznej w wybranej warstwie badanego obiektu e = - B e

Uzyskiwanie obrazów MRI Najważniejsze metody obrazowania: o metoda projekcji-rekonstrukcji (Lauterbur), o standardowa metoda gradientowa (Kumar i Ernst), o metoda echa planarnego (EPI; Mansfield)

Uzyskiwanie obrazów MRI Najprostsza sekwencja pomiarowa wykorzystywana do uzyskiwania obrazów MRI 90 GzGz GyGy GxGx t1t1 t2t2 B = b 0 + G y *y = *B = 0 + *G y *y

Zdolność rozdzielcza w wymiarze częstości i w przestrzeni Fazy precesji spinów znajdujących się w wybranej warstwie w określonej chwili t, w okresie kodowania fazy za pomocą gradientu G y B y B0B0 y f (y, t 2 >t 1 ) f (y, t 1 ) f (y, 0) 0 (t 1 ) = 0 *t 1 + *G y *y*t 1

Stopień uwodnienia i morfologia tkanek Sekwencja pomiarowa do otrzymywania obrazów MRI, wykorzystująca spinowe echo 90 GzGz GyGy GxGx tete t1t1 180 t e /2 G y,min G y,max

Obrazy MRI przekroju aksjalnego głowy zdrowego człowieka otrzymane metodami T 1 -weighted, T 2 -weighted i FLAIR T1-weighted T2-weighted FLAIR Stopień uwodnienia i morfologia tkanek

Sekwencja pomiarowa FLAIR (Fluid Atenuated Inversion-Recovery), wykorzystywana do wygaszania sygnałów płynu mózgowo-rdzeniowego, który charakteryzuje się powolną relaksacją podłużną Stopień uwodnienia i morfologia tkanek GzGz GyGy GxGx trtr

Porównanie obrazów z kontrastem relaksacyjnym (a) i dyfuzyjnym (b) Diffusion-weighted MRI (a) (b)

Obraz przepływu krwi (perfusion) obraz źródłowy mapa przepływu Badanie przepływu krwi

Obraz FMRI: sygnał BOLD zarejestrowany jako efekt aktywacji motorycznej mózgu (left-finger-tapping) Functional MRI (FMRI) - reakcja mózgu na bodźce

Widmo 31 P NMR mięśni uzyskane metodą cewki powierzchniowej Spektroskopia in vivo – MRS

Sekwencja pomiarowa służąca do wytworzenia magnetyzacji poprzecznej pochodzącej tylko z wybranego wycinka objętości próbki (PRESS) Spektroskopia in vivo – MRS GzGz GyGy GxGx t e /2 t e /2-

MRS mózgu szczura (9.4 T, rozdzielczość ppm). Widoczne jest 18 metabolitów, w tym: K - kreatyna z fosfokreatyną, NAA - N-acetyloasparaginian i M - kwas mlekowy. Spektroskopia in vivo – MRS K NAA M

Widma 1 H MRS nowotworu i zdrowej tkanki mózgu zarejestrowane in vivo. Spektroskopia in vivo – MRS nowotwór zdrowa tkanka

Obrazy MRI i MRSI struktur anatomicznych z rozległym guzem lewej półkuli mózgu Spektroskopia in vivo – MRS

Niektóre zastosowania kliniczne spektroskopii NMR in vivo: 1. Clinical applications of in vivo MRS and MRSI. (Lentz MR, Taylor JL, Feldman DA, Cheng LL, CURRENT MEDICAL IMAGING REVIEWS 1 (3): NOV 2005) 2. MRS of metabolic disorders. (Cecil KM, NEUROIMAGING CLINICS OF NORTH AMERICA 16 (1): 87, FEB 2006) 3. A review of MRS findings in Alzheimer's disease. (Soher BJ, Doraiswamy PM, Charles HC, NEUROIMAGING CLINICS OF NORTH AMERICA 15 (4): 847 NOV 2005) 4. What have we learned from MRS about schizophrenia? (Abbott C, Bustillo J, CURRENT OPINION IN PSYCHIATRY 19 (2): MAR 2006) 5. 1H NMR findings in major depressive disorder.(Yildiz-Yesiloglu A, Ankerst DP, PSYCHIATRY RESEARCH-NEUROIMAGING 147 (1): 1-25 JUN ) 6. Magnetic resonance and the human brain anatomy, function and metabolism. (Talos IF, Mian AZ, Zou KH, Hsu L, Goldberg-Zimring D, Haker S, Bhagwat JG, Mulkern RV, CELLULAR AND MOLECULAR LIFE SCIENCES, 63 (10): , MAY 2006) 7. In vivo MRS in cancer. (Gillies RJ, Morse DL, ANNUAL REVIEW OF BIOMEDICAL ENGINEERING 7: )

Widmo 1 H NMR moczu - kwasica argininobursztynowa. Asa - kwas argininobursztynowy Ala – alanina Cr – kreatyna Crn - kreatynina, Dma – dimetyloamina Gly - glicyna

Widmo 13 C NMR moczu pacjenta chorego na alkaptonurię

Spektroskopia in vivo – MRS Dziedziny medyczne, w których spektroskopia NMR dużej zdolności rozdzielczej może być bardzo przydatna: Diagnostyka medyczna Farmakokinetyka i monitorowanie terapii, a w tym: określanie poziomu leku w organizmie, ustalanie optymalnego dla danego pacjenta dawkowania, kontrola wydalania i in. Badania metabolizmu i mechanizmu działania leków i innych ksenobiotyków - toksykologia Poszukiwanie nowych leków Opracowywanie syntezy leków, kontrola ich produkcji i jakości