동적 핵분극: 입자물리학 기술이 의료 영상을 어떻게 변화시키는가

핵 및 입자 물리학에서 시작된 실험 기술은 이제 인체 내부의 화학 반응을 측정하고 거의 50개의 임상 시험에서 암과 심장병을 진단하는 데 사용되고 있습니다.잭 밀러자기공명영상의 품질을 크게 향상시키는 동적 핵분극의 예상치 못한 증가를 차트로 보여줍니다.

물리학자들에게 생명이란 대부분 무질서로 향하는 우주에서 질서를 창조하는 것처럼 보이는 이상한 것입니다. 생화학적 수준에서 생명은 훨씬 더 이상합니다. 우리 대부분이 들어본 적도 없는 수많은 분자에 의해 제어되고 열역학적으로 구동됩니다. 사실, 우리의 생명을 유지하는 데 중요한 분자인 피루브산이 하나 있습니다.

피루브산은 연소되면 이산화탄소와 물을 방출합니다. 열심히 운동하고 근육에 산소가 부족하면 혐기성 젖산으로 전환되어 봉합 시 통증이 발생할 수 있습니다. 나중에 간은 젖산을 다시 설탕으로 재활용하고 그 과정이 새로 시작됩니다.

그러나 화학적으로 2-옥시프로판산(CH3CO-COOH)으로 알려진 피루브산은 신체 내부에서 일어나는 일을 나타내는 지표이기도 합니다. 계단을 올라가거나, 식사를 건너뛰거나, 마취를 하면 피루브산이 대사되는 속도(및 변환되는 속도)가 달라집니다. 불행하게도 심장마비를 일으키거나 암에 걸릴 경우에도 그것이 만들어지거나 소비되는 속도는 엄청나게 달라질 것입니다.

밝혀진 바와 같이, 우리는 피루브산 핵의 고유 각운동량, 즉 "스핀"을 이용하여 이 분자를 추적할 수 있습니다. 스핀은 정수 또는 (예를 들어 양성자와 탄소-13 핵의 경우) ħ(플랑크 상수를 2π로 나눈 값)의 반정수 배수로 나타나는 기본적인 물리적 특성입니다. "용해 동적 핵 분극"(d-DNP)으로 알려진 실험 기술을 사용하면 더 많은 탄소-13 핵이 다른 스핀 상태보다 한 스핀 상태에 존재하는 산 버전을 만드는 것이 가능합니다.

이 "과분극화된" 피루브산을 생물학적 시스템에 주입함으로써 우리는 자기 공명 영상(MRI)의 악명 높은 신호 대 잡음비를 무려 5배나 향상시킬 수 있습니다. 의학에서 큰 이점을 가져온 MRI는 강한 자기장과 전파를 혼합하여 인체 해부학과 신체 내부의 생리적 과정에 대한 상세한 이미지를 생성합니다. 하지만 단점은 임상의가 필요에 맞는 충분한 해상도의 이미지를 얻기 위해 환자가 MRI 기계에 한 시간 이상 앉아 있는 경우가 많다는 것입니다.

그러나 d-DNP를 사용하면 생물학적 시스템에서 피루브산에 어떤 일이 일어나는지 자세히 보여주는 놀라운 MRI 이미지를 얻을 수 있습니다. 지난 20년 동안 이 기술은 박테리아, 효모 및 포유류 세포를 이미지화하는 데 사용되었습니다. 쥐, 생쥐, 뱀, 돼지, 아홀로틀과 같은 동물은 물론 암 치료를 받는 개까지 관찰했습니다. 가장 중요한 것은 전 세계 20개 정도의 연구실에서 약 1000명의 사람들이 거의 50개의 임상 시험이 진행 중인 d-DNP를 사용하여 영상을 촬영했다는 것입니다.

그렇다면 이 기술은 어떻게 작동하며 인체에 대해 우리에게 무엇을 알려줄 수 있습니까?

임상의에게 신체 내 수분과 지방의 위치에 대한 귀중한 이미지를 제공하는 MRI의 장점은 비침습적이며 환자에게 해를 끼치지 않는다는 것입니다. 비록 자석 구멍 안에 앉아 있는 것이 특별히 즐겁지 않더라도 말입니다. 그러나 자기 공명은 인가된 자기장에서 핵의 거동이 분자 내 핵의 위치와 인체 내 핵의 정확한 위치에 따라 달라지기 때문에 아름다운 그림 그 이상을 생성할 수 있습니다. 실제로 우리는 전파를 사용하여 생물학적 시스템에서 핵의 수량과 위치를 측정하여 MRI를 분광 기술로 전환할 수 있습니다.

MRI 분광학은 거의 모든 생물학적 조직에서 젖산 및 아데노신 삼인산(ATP – 세포 수준에서 사용 및 저장을 위한 에너지원)과 같은 분자의 분포를 정확하게 나타낼 수 있습니다. 불행하게도 이러한 분자는 일반적으로 매우 낮은 농도로 존재하므로 MRI 이미지는 물이나 지방의 이미지와 동등한 해상도를 갖습니다. 더 나쁜 것은, 대부분의 MRI 분광학 실험에서는 충분한 양의 데이터를 얻기 위해 환자가 몇 시간 동안 가만히 앉아 있어야 한다는 점입니다. 특히 코가 가렵거나 화장실이 필요한 경우에는 이것이 어렵습니다.