Химики используют ЯМР для подтверждения результатов синтеза активных ингредиентов в противовирусных препаратах вроде тамифлю или в аспирине, приготавливая раствор вещества и убеждаясь, что в спектре есть все нужные сигналы как для изотопа 1Н, так и для изотопа 13С. Именно так работают специалисты в области органического синтеза и медицинской химии, когда анализируют многообещающие новые молекулы, выделенные из природных источников, их синтетические модификации, а также совершенно новые искусственные соединения.
Чтобы рассмотреть опухоль в мозге, нам нужно применить эту технику немного иным образом. При определенной силе магнитного поля молекулам воды, присутствующим во всех частях нашего тела, потребуется конкретная энергия, радиоимпульс, чтобы перейти на более высокий квантовый уровень. Это называется энергией резонанса, а детектируем мы уже тот радиосигнал, который ядра посылают, спускаясь обратно к подножию горы. Чем сильнее этот сигнал, тем больше в теле молекул воды.
Уловка, которую используют в аппарате МРТ, заключается в том, чтобы создать разное магнитное поле[265] для каждой части тела. Представьте, что тело делят на крошечные кубики, в каждом из которых свое магнитное поле. Каждый кубик отправит нам особый радиосигнал, и сила этого сигнала покажет нам, сколько воды содержится в этом кубике. А вот и неожиданный поворот: все органы, а также все опухоли обладают немного разной концентрацией воды, так что изображение, которое мы можем построить (при условии, что мы можем отслеживать силу магнитного поля в каждом кубике), покажет нам внутреннее устройство тела.
Кажется, что все это очень далеко от южной части периодической таблицы, где мы найдем элемент гадолиний, почти неизвестный вне круга химиков-неоргаников и, как выясняется, специалистов в области МРТ. В таких сложных устройствах есть несколько вариантов, где может обнаружиться какой-то экзотический элемент: в полупроводниках, магнитах, детекторах радиоволн, аналогово-цифровых преобразователях. Но, как ни удивительно, этот довольно токсичный металл выступает в роли контрастного агента – вещества, которое делает изображения наших внутренних органов, особенно мозга, гораздо более четкими, благодаря чему врачам легче их расшифровывать.
Если вам не повезло и у вас были серьезные проблемы с гастроскопией, то вам, возможно, делали обычный рентгеновский снимок, которому предшествовал прием внутрь бария, а точнее, нерастворимого сульфата бария. Атомы бария поглощают фотоны рентгеновских лучей и не дают им ударяться о фотографическую пленку (либо, как в наши дни, о специальную пластину, которую мы коротко упомянули в главе 7); таким образом получаются более четкие черно-белые изображения кишечника. Казалось бы, ионы гадолиния тоже должны поглощать радиоволны, но барий и гадолиний работают совершенно по-разному, хотя функция у них одна: усилить контраст между органами, в которых присутствует вещество, и окружающими их тканями.
Мы можем представить себе ядерные спины – маленькие ядерные магниты – в виде заводных игрушечных машинок. Основное состояние аналогично незаведенной машинке, припаркованной в коробке с игрушками. А возбужденное состояние, как мы предпочитаем называть высокоэнергетическое состояние, – это заведенная, но пока не отпущенная машинка. Когда вы отпускаете ключ, ходовая пружина высвобождается и машинка с шумом несется вперед. Чем больше машинок, тем больше шума, и именно этот шум мы регистрируем – он соответствует радиосигналу МРТ. Если сделать это всего один раз, сигнал получится очень слабым, поэтому нам нужно снова завести машинки, отпустить их, скомбинировать сигналы от разных запусков и повторять это до тех пор, пока мы не получим изображение приемлемого качества.
Кажется, что все это не слишком сложно, однако проблема в том, что нам приходится довольно долго ждать, пока пружина полностью раскрутится и машинка остановится, чтобы снова ее завести. И вот тут в дело вступает гадолиний в форме ионов Gd3+. У знакомых нам со школьной скамьи ионов электроны обычно были разбиты на пары. У вездесущего иона натрия +1 десять спаренных электронов, у отрицательно заряженного иона хлора – девять пар (то есть всего 18 электронов). У иона Gd3+, напротив, семь неспаренных электронов на внешней оболочке (и еще 54 спаренных поближе к ядру), что в некотором роде является рекордом. Поскольку непарный электрон, подобно ядру 1Н, ведет себя как крошечный магнит, легко предположить, что он каким-то образом будет влиять на молекулы воды.
Рисунок 44. Южная часть Периодической таблицы – царство лантаноидов.
При условии, что молекулы воды смогут подобраться достаточно близко к иону Gd3+, воздействие на возбужденные ядра 1Н действительно будет выраженным: магнитный момент неспаренного электрона заставляет ядро Н быстрее спуститься из возбужденного состояния, что соответствует той ситуации, когда мы поднимаем заведенные игрушки с пола и отпускаем пружины без сопротивления, благодаря чему в короткий промежуток времени возникает сильный шум. Теперь мы почти сразу же можем направить на пациента новый радиоимпульс, заводя ядра 1Н в воде и снова быстро собирая данные. В результате качество изображения резко возрастает, пациент проводит меньше времени в аппарате МРТ, и за день можно «просканировать» гораздо больше людей.
А как насчет токсичности ионов гадолиния? Разве она не должна нас беспокоить? На самом деле это нас волнует, но химиков скорее меньше, чем врачей. «Настоящие» врачи обычно с большой неохотой вводят своим пациентам ионы металлов, о положительной роли которых в биохимии человека ничего не известно; возможно, из-за неудачных ранних опытов в этой области медицины – например, с широко применявшимися и по большей части пагубными для здоровья препаратами на основе ртути (Hg) для лечения сифилиса. Однако, если посмотреть, сколько различных солей металлов требуется для того, чтобы убить крысу (среднее значение известно как LD50)[266], выяснится, что нитрата гадолиния нужно почти в два раза больше, чем нитрата калия (глава 16), то есть больше 5 г на 1 кг веса крысы (может показаться, что это очень большая крыса, но такими уж единицами мы пользуемся для подобных измерений)[267].
Это не значит, что беспокоиться не о чем. Некоторые контрастные агенты на основе гадолиния не рекомендованы людям с заболеваниями почек[268], но причиной тому скорее большие закручивающиеся органические молекулы, которые покрывают ион гадолиния. Эти молекулы, очень похожие на поедающего добычу кальмара, называются «многозубчатыми сшивателями», а точнее (поскольку химики любят говорить по-гречески), полидентатными лигандами, где лиганд – это единичная молекула, связанная с ионом металла. Они выполняют две функции: решительно выводят ион металла из тела с мочой и направляют ион гадолиния к тем органам, изображение которых нужно улучшить.
У этих молекул обычно есть небольшое отверстие (см. рисунок 45), позволяющее молекуле воды в биологических жидкостях соединиться с ионом гадолиния и быстро «раскрутиться» или, как мы выражаемся, релаксировать, чтобы снова быть готовой к следующему радиоимпульсу.
В редких случаях с некоторыми контрастными веществами возникают проблемы, но в целом это вполне безопасная процедура. Органические молекулы связывают ион гадолиния, используя принцип, известный как хелатный эффект – еще одно слово греческого происхождения[269], означающее «клешня». Эти полидентатные лиганды – молекулы того же типа, что и противоядия, которые применяют в случае отравления металлами. Похоже, авторы сценариев для телесериалов обладают безграничным воображением, когда доходит до того, чтобы заставить героев вдохнуть, выпить, съесть или ввести себе инъекцию не особо полезных для здоровья ионов металла, а затем, когда врач в этой серии наконец разгадывает медицинскую загадку, он или она торжествующе велит назначить пациенту хелатную терапию. Эта терапия подразумевает прием «пустых» полидентатных лигандов, которые, проходя сквозь органы, с жадностью хватают своими клешнями (или зубами) ионы любых встречающихся на их пути тяжелых металлов и безопасно выводят их из организма.
Рисунок 45. В контрастных агентах на основе гадолиния, таких как этот, ион металла в центре почти полностью окружен большой органической молекулой (слева); в ней есть лишь небольшое отверстие (показано светло-серым цветом), чтобы молекула воды из биологической жидкости могла войти с ним в тесный контакт и релаксировать (то есть вернуться из возбужденного состояния), как показано справа.
Каждый год в мире проводится около 600 миллионов процедур МРТ, многие из них выполняются на мозге при помощи контрастных агентов. У меня нет доступа к личным данным кавалерственной дамы Элизабет Тейлор или мисс Фредрикссон, но, насколько я разбираюсь в новейших медицинских процедурах, обе они должны были проходить МРТ с одним из многочисленных веществ на основе гадолиния, разработанных для этой цели[270]. Опухоль Тейлор оказалась доброкачественной, и она прожила еще 14 лет, умерев в 2011 году в возрасте 79 лет, но что касается Фредрикссон, то, насколько мне известно, операция на мозге, проведенная после анализа методом МРТ, в самом деле спасла ей жизнь[271].
Некоторым из вас, возможно, знакомы элементы группы лантаноидов (или лантанидов – химики никак не могут прийти к согласию в отношении этого термина, хотя ИЮПАК одобрил первый вариант), в которой находится гадолиний – один из редкоземельных элементов