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第 05 章

05-01
化学位移

05-02
磷谱

05-03
其他核的活体波谱

氢谱
碳谱
氟谱
钠谱和钾谱
05-04
活体波谱的定位技术

受激回波波谱
点分辨波谱
成像选择性活体波谱
05-05
化学位移成像


05-02  磷谱

虽然在波谱上很容易区分组织中水和脂肪的信号,但是这却没有多少医学意义。实际上,正是因为水和脂肪的信号太强,才导致对感兴趣的代谢产物的检测变得非常困难。因此,早期的MRS所观测的原子核不是氢核而是其他原子核,其中磷核(31P)最为普遍。

在一个给定的磁场中,31P的共振频率大约是1H的0.405倍,因此在2.35T下,1H共振频率是100MHz,31P共振频率是40.5MHz。因此,发射线圈或者接收线圈的频率必须与相应被观测原子核的共振频率相匹配,才能避免错误的实验结果。

因为31P形成的化学键种类更多,所以31P有更宽的化学位移范围,参见图05-03。然而,研究中感兴趣的化合物的化学位移却局限在一个很小范围内,大约是25个ppm,参见表05-01。



表05-01
磁共振波谱中常见化合物及其缩写。



图05-03
(a) 部分原子核相对于氢核的共振频率。(b) 含磷化合物磷谱的频率分布情况。(c) 生物学中感兴趣的含磷化合物磷谱的频率分布情况。

活体磷谱中能观测到的代谢产物有磷酸肌酸(PCr,对能量代谢至关重要)、无机磷酸盐(Pi)、磷酸单酯(PME,包括磷酸糖类,比如6-磷酸葡萄糖)、磷酸二酯(PDE,包括脂质前体如磷酸胆碱和磷酸胆胺、和脂质体)和三磷酸腺苷(ATP,能量代谢中起关键作用)。

除了ATP,所有这些代谢产物分子中只含有一个磷原子,所以就只有一个共振信号,这使得磷谱的解谱工作相对来说比较容易。然而,当细胞中含有结构相似的含磷化合物时,分析磷谱就会异常困难。例如,6-磷酸葡萄糖、6-磷酸果糖和6-磷酸己糖这三个化合物的信号就因相互重叠而很难区分。信号相互重叠是波谱中最常见的问题,区分信号的能力即为分辨率,如果两个信号化学位移的差异足够大,就可以观察到两个信号峰,所以他们是可以被区分的。

ATP与上述其他分子不同,因为ATP分子中含有三个磷原子。α-磷同时与腺苷基团和一个含磷基团相邻;β-磷两边都是含磷基团;γ-磷只与一个含磷基团相邻。因此,三个磷原子具有不同的化学环境,在磷谱上可以观测到三个信号。

图05-04中是人腿部肌肉和人脑的磷谱。两个谱完全不同,虽然两个谱中都出现很多信号。但是,在人腿部肌肉磷谱中,信号线很窄,而在人脑磷谱中,信号线则很宽。这是因为分子在脑中和肌肉组织中感受到的物理环境不同。


图05-04
(a) 人脑的磷谱;
(b) 人腿部肌肉的磷谱。

在两个组织中,含磷代谢产物的浓度不相同,所处的物理环境也不同。浓度决定信号的峰面积,所处物理环境决定信号的峰宽。


在NMR实验中检测到的代谢产物的浓度与信号峰下的面积成正比,其次是信号峰的高度。因此,一个高且窄的峰并不意味着该物质的浓度就比信号低且宽的高。另外,在这两个谱中磷酸代谢产物的信号相对强度也不同。肌肉组织的波谱中PCr和ATP的信号都很明显,脑组织的波谱中PDE的信号最明显,其次是PCr和ATP。

Matson和Weiner综述了很多与磷谱相关的文章 [⇒ Matson],Rubaek Danielsen和Ross书中介绍了磷谱的相关应用[⇒ Rubaeck]。


spaceholder 600 图05-04中的谱图只代表组织在某个瞬间的代谢状态。MRS也可用于监测几分钟、几个星期甚至几个月内组织的代谢变化。

图05-05是人小腿部肌肉组织的一系列磷谱(每90秒钟测一次)。在前三分钟内,肌肉处于休息状态,接着锻炼肌肉7.5分钟并采集数据。12分钟后,肌肉恢复之后再采样。从谱图中可以看到PCr和Pi的变化。在锻炼中PCr被消耗以确保ATP含量不变。增加的Pi是来自PCr的水解。在锻炼状态下PCr水解生成Cr和Pi。如果时间控制得当,还能测出代谢产物的变化率和变化程度。


图05-05
不同状态下的人小腿部肌肉组织的磷谱,每90秒钟采集一次磷谱。磷谱反应了人小腿部肌肉组织中含磷代谢产物在锻炼和恢复过程中的变化情况[⇒ Timm]。绿色:休息状态;红色:锻炼伊始;洋红色:恢复伊始。


MRS还可以用来监测肿瘤对治疗的反应,监测周期可以是几天,也可以是几个星期[⇒ Southon]。

活体磷谱的优势是含磷代谢产物在能量代谢中起重要作用,而且有相当高的浓度,尤其是在肌肉组织中,脑组织和肝组织浓度也比较高。

活体磷谱的缺点是活体中代谢产物区分比较困难。在活体中,大约有1010种代谢产物都在PME化学位移处给出信号,信号严重重叠,根本无法分辨。

活体磷谱的另一个缺点是,除了主要的能量代谢产物的信号之外,其他含磷化合物的信号,要么是太宽(如磷酸脂质体)要么就是太弱(如糖酵解的磷酸化中间产物)而难以检测,还有就是很多代谢产物不含磷原子,如Krebs循环中间产物、氨基酸、脂质体、糖类等等。要研究不含磷原子的代谢产物就必须借助其他原子核。



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