Применение параводорода для генерации долгоживущей ядерной спиновой гиперполяризации

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) является широко используемым инструментом исследований в различных областях науки – физике, химии, биологии и медицине. Хорошо известно, что основное ограничение спектроскопии ЯМР связано с ее низкой чувствительностью, вызванной исключительно небольшой разницей заселенностей ядерных спиновых состояний при комнатной температуре. Повышение чувствительности, таким образом, возможно при помощи ряда подходов, призванных существенно увеличить указанную разницу заселенностей, т.е. достичь так называемой гиперполяризации. Подходы, основанные на спиновой гиперполяризации, уже используются в клинических испытаниях для диагностики онкологических заболеваний у пациентов при помощи магнитно-резонансной томографии (МРТ), однако их широкому внедрению препятствует то, что гиперполяризованное состояние живет сравнительно недолго. Данное ограничение может быть преодолено при использовании в качестве таких гиперполяризованных зондов молекул с длительными временами магнитной релаксации, в частности соединений, в состав которых входят гетероядра с низким гиромагнитным отношением, а также молекул, для которых можно создать особые долгоживующие спиновые состояния. Настоящий проект направлен на развитие методов генерации долгоживущей спиновой гиперполяризации, которые могут быть использованы для решения широкого круга задач. В долгосрочной перспективе полученные результаты могут привести к принципиально новым возможностям МРТ, значительно облегчая как диагностику, так и лечение различных заболеваний. При выполнении проекта будут разработаны и апробированы на практике новые подходы, направленные на создание и управление долгоживущими спиновыми состояниями в широком диапазоне магнитных поле. Разработанные подходы будут применены для проведения экспериментов по наблюдению ядерной спиновой гиперполяризации, полученной с использованием параводорода (индуцируемая параводородом поляризация ядер, ИППЯ) для гетероядер с низким гиромагнитным отношением, при этом будут определены оптимальные условия для сохранение указанной поляризации. Полученные закономерности будут использованы для создания новых гиперполяризованных зондов для магнитно-резонансной томографии, в первую очередь. – на основе производных фосфорной кислоты. Предлагаемый проект требует объединения усилий специалистов в области ядерной гиперполяризации, спиновой динамики, спектроскопии ЯМР, химии металлорганических и элементоорганических соединений, и его основные цели могут быть достигнуты только в рамках междисциплинарного проекта при тесном сотрудничестве двух научных групп. В рамках общего плана работ по проекту научным коллективом МТЦ СО РАН (область науки 02) будут выполнены работы по развитию методов спектроскопии ЯМР, разработке импульсных последовательностей и протоколов экспериментов с применением быстрого переключения магнитного поля, анализом спиновой динамики гиперполяризованных молекул, в то время как научная группа ИНЭОС РАН (область науки 03) обеспечит выполнение химических задач проекта, связанных с синтезом молекул-субстратов для ИППЯ, оптимизацией металлорганических катализаторов и подбором условий реакций для проведения экспериментов по ИППЯ. Результаты выполнения предлагаемого междисциплинарного проекта, таким образом, будут представлять как фундаментальный, так и практический интерес. Новые подходы к созданию долгоживущей спиновой гиперполяризации будут востребованы для изучения спиновой динамики в системах различной природы, а созданные с применением этих подходов новые гиперполяризованные зонды позволят значительно расширить возможности МРТ для изучения метаболических процессов, происходящих внутри живого организма, и ранней диагностики связанных с ними патологий.