Paul C. Lauterbur og Peter Mansfield modtager årets Nobelpris 2003 i medicin for deres opdagelser vedrørende billeddannelse ved hjælp af NMR.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 12, 2003 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Henrik Gesmar, Kemisk Institut, Københavns Universitet
For fjerde gang er en Nobelpris givet til forskere, der har bidraget til, at kernemagnetisk resonans (NMR) har så mange forskellige anvendelsesområder, som vi ser i dag. Paul C. Lauterbur og Peter Mansfield deler i år Nobelprisen i fysiologi og medicin for deres pionerarbejder med anvendelse af NMR til billeddannelse. På denne opdagelse bygger den senere udvikling af en af de allervigtigste metoder inden for moderne medicinsk diagnostik og forskning. Også anvendelsen af NMR inden for mange andre områder, ikke mindst kemi, har nydt godt af de to nobelprismodtageres opdagelser og den deraf afledte tekniske og videnskabelige udvikling.
Tidligere er Nobelprisen i både fysik og kemi blevet givet til forskere, der har arbejdet inden for NMR. I 1952 fik Felix Bloch og Edward Mills Purcell Nobelprisen i fysik for deres opdagelse af selve NMR-fænomenet. I 1991 fik Richard Ernst Nobelprisen i kemi for sin udvikling af Fouriertransformations NMR-spektroskopien samt udviklingen af flerdimensionale NMR-eksperimenter. Så sent som i 2002 fik Kurt Wütrich prisen, også i kemi, for sit arbejde med at udvikle NMR til bestemmelse af den tredimensionale struktur af biologiske makromolekyler i opløsning.
Paul C. Lauterbur, Urbana, Illinois, USA
I september 1971 fik Paul C. Lauterbur den ide at bruge magnetiske feltgradienter til at få rummelig information om fordelingen af magnetiske atomkerner i et objekt i NMR-spolen og på basis af det optagne spektrum at beregne et billede af objektet.
Måling af en atomkernes frekvens (Larmor frekvensen), n0 = g /2p .Bn gør det muligt at bestemme magnetfeltet, , på spinkernens plads. Hvis nu en lineær gradient, , tilføjes i en retning, , har vi at , og positionen af atomkernen i -retningen kan således bestemmes ved måling af resonansfrekvensen, n. Kontrasten i billedet dannes på denne måde primært ved forskelle i intensiteterne af de observerede atomkerners signaler.
Feltgradienter havde hidtil været noget, man prøvede at reducere for at opnå et så homogent magnetfelt som muligt. Dermed kunne den kemiske forskydning (chemical shift) af spinkernernes resonansfrekvens i form af et NMR-spektrum iagttages. Bevidst anvendelse af magnetiske feltgradienter var dog set tidligere, f.eks. til måling af diffusion, men egentlig billeddannelse var noget nyt. Ved at lægge feltgradienter i forskellige retninger i samme plan og optage de tilsvarende NMR-spektre kunne Lauterbur ved en matematisk operation (back-projection) skabe et todimensionalt billede af sit forsøgsobjekt. Dette var to kapillærrør med vand, der lige kunne være i et 5-mm prøverør beregnet til spektroskopi (figur 1). Det lykkedes at få optaget en artikel om dette i Nature i 1973 [1], selv om det voldte noget besvær at overbevise redaktøren om vigtigheden af dette arbejde.
Det første levende væsen, der blev skannet med denne teknik, var en musling, der ikke var større, end at den kunne være i prøverøret. Man kunne her se bløddelene inde i skallen. Året efter, i en lidt større magnet, lykkedes det at skanne brystkassen på en mus.
Peter Mansfield, Nottingham, England
Peter Mansfield har videreudviklet anvendelsen af magnetiske feltgradienter. Han foreslog brugen af en frekvensselektiv puls under tilstedeværelsen af en gradient for på denne måde kun at excitere en tynd skive af objektet [2]. Ved hurtigt at gentage dette med en gradient vinkelret på den første kunne det exciterede område reduceres til en søjle. Under tilstedeværelsen af en gradient i »søjlens« retning kunne man herefter optage et spektrum, der var en linje i billedet. Sekvensen kunne så gentages for hver linje, man ønskede i billedet med passende valg af gradienter. Med denne metode kunne man lave både to- og tredimensionale billeder, men det var en langsommelig proces, da der skulle optages et NMR-spektrum for hver linje i billedet. Metoden er nu ændret, men den selektive excitation af en tynd skive indgår stadig i de fleste pulssekvenser.
I 1977 publicerede Mansfield en ny metode [3] med navnet echo-planar-imaging (EPI), hvormed man ved en enkelt excitation kunne optage et billede og derved bringe tiden for optagelse ned fra mange minutter til brøkdele af et sekund. Denne metode stillede meget store krav til gradientsystemet, og først i starten af halvfemserne var dette udviklet, så metoden kunne tages i brug på kommercielle apparater. I dag er den standard.
Udviklingen
Siden årets to nobelprismodtagere gjorde deres opdagelser, er der, som det vil være bekendt, sket en kolossal udvikling inden for området. At en sådan teknik, der tilsyneladende var uden bivirkninger, vakte interesse hos de store fabrikanter af hospitalsudstyr er ikke overraskende. Her var et marked, som de andre anvendelser af NMR, på trods af deres succes, aldrig nogensinde ville opleve.
Philips Medical Systems Division begyndte at arbejde med NMR-billeddannelse allerede i 1973, kort efter Lauterburs indledende publikation i Nature. Siemens startede i 78, og i 1980 var begge firmaer i stand til at skanne hovedet på et menneske. Andre store firmaer som General Electric kom til, men også firmaer som Bruker og Varian, der hidtil havde fabrikeret højfeltsinstrumenter til NMR-spektroskopi, kastede sig ud i det. Man regner med, at der i dag er ca. 22.000 NMR-skannere i brug over hele verden, og at der i 2002 blev udført over 60 millioner NMR-undersøgelser.
Den måde, billeddannende NMR udføres på i dag, ligner den måde, man måler på i puls Fouriertransformations NMR-spektroskopi. Da Mansfield præsenterede sin anvendelse af gradienter til billeddannelse, var Richard Ernst (nobelprismodtager i 1991) i gang med sit arbejde med NMR-spektroskopi i flere dimensioner, og han indså, at billeddannelse kunne udføres som et puls Fouriertransformationseksperiment i flere dimensioner [4]. Ventetiderne mellem radiobølgepulsene skulle blot erstattes med gradientpulse i forskellige retninger. Som ved spektroskopi skulle det målte signal herefter Fouriertransformeres for at opnå det ønskede resultat, in casu et billede. At teorien, der beskriver målingen ved billeddannelse, på denne måde er meget lig den, der beskriver det spektroskopiske eksperiment, gør det lettere at kombinere de to metoder samt at kombinere billeddannelse med andre NMR-teknikker som f.eks. måling af flow og diffusion.
Kombinationen af billeddannelse og spektroskopi har to varianter: lokaliseret spektroskopi og billeddannende spektroskopi. Lokaliseret spektroskopi er egentlig ikke billeddannende, men ved hjælp af gradientsystemet kan man undertrykke signalet fra alle andre områder end det volumen, man er interesseret i. Man opnår på denne måde et helt almindeligt NMR-spektrum, men fra et udvalgt volumen inde i et objekt. Ved billeddannende spektroskopi optages signalet fra et større område med en sådan kombination af tidsintervaller og gradienter, at en efterfølgende flerdimensional Fouriertransformation giver et billede, hvor man i hvert enkel punkt har et NMR-spektrum. Ved tilordning af NMR-spektret kan man alternativt konstruere et billede, der viser fordelingen af de tilsvarende kemiske forbindelser i et objekt. Denne metode har fået stor udbredelse i den medicinsk/biokemiske forskning [5], og i de senere år har den også fået klinisk anvendelse [6].
Hvad med kemien?
NMR-spektroskopi er efterhånden blevet et både almindeligt og meget værdifuldt værktøj for kemikeren. En vigtig ting ved magnetisk resonans imaging (MRI)-teknikken er, at den hverken teknisk eller teoretisk er væsensforskellig fra andre anvendelser af NMR. Det er således stort set de samme firmaer, der producerer det nødvendige apparatur. Mange tekniske forbedringer kan bruges inden for flere områder. F.eks. kan et moderne højfelts NMR-spektrometer gøre brug af skærmede gradienter, der er udviklet til den meget hurtige billeddannelse, EPI. For mange flerdimensionale NMR-eksperimenter er disse gradienter af afgørende betydning, ligesom de på moderne spektrometre kan anvendes til justering af magnetfeltet (shimming). Også udvikling af formede pulse til selektiv excitation har bred anvendelse, metoder til vandundertrykkelse for ikke at tale om udviklingen af superledende spoler til generering af kraftige og homogene magnetfelter. Hvad disse spoler angår, vil udvikling af et materiale, der er superledende nær stuetemperatur, være en meget stor landvinding – også for NMR-spektroskopien.
NMR-billeddannelse på ikke levende systemer er meget udbredt [7]. F.eks. er der set en del anvendelser inden for materialforskning, hvor billeddannelse vha. NMR kan bruges ved studier af polymere og porøse stoffer [8]. Man har eksempelvis kunnet studere diffusion af vand ind i cement og andre byggematerialer [9]. I disse studier er det billedet af den indtrængende væske, man ser, men det er også muligt at lave billeddannelse af atomkerner i fast stof.
Også boreprøvers porøsitet, permeabilitet og olieindhold er undersøgt med billeddannende spektroskopi. Man kan også studere fordelingen af de stoffer, man pumper ned i brønden mhp. at effektivisere olieindvindingen [10].
En særlig eksotisk variant er benyttet til undersøgelse af meget heterogene materialer. Her er det nødvendigt at benytte meget store gradienter for at opnå en tilstrækkelig rummelig opløsningsevne. Sådanne store, men statiske, gradienter findes umiddelbart uden for højfeltsinstrumenter, hvor feltet hurtigt aftager, og disse kan udnyttes i »stray-field magnetic resonance imaging«. Da gradienten ikke kan ændres, må prøven i stedet flyttes og reorienteres [11].
Til studier af processer i fødevarer har NMR-billeddannelse også været brugt. Man har f.eks. undersøgt fænomener som krystallisation af fedt og is, gelering, mobilitet af vand, modning og holdbarhed [12].
Den afgørende fordel ved NMR som ikke destruktiv undersøgelsesmetode sammenlignet med andre billeddannende metoder, som f.eks. CT-skanning, er dens evne til at skelne forskellige kemiske forbindelser samt til at måle dynamik.
En helt ny meget elegant overførsel af teknikken fra billeddannelse til spektroskopi er for nylig set i [13], hvor det med brug af billeddannende gradienter er lykkedes at optage et todimensionalt NMR-spektrum med en enkelt excitation og på denne måde nedbringe tiden for et eksperiment med flere størrelsesordener. I et eksempel i artiklen er varigheden af et eksperiment reduceret fra 90 min til 0.15 s. Ikke mindst for laboratorier, hvor man rutinemæssigt anvender todimensional NMR til løbende kontrol, kan dette få stor værdi.
Fremtiden
Der er mange eksempler på, hvordan Mansfield og Lauterburs opdagelse af billeddannelse bliver brugt i kemien. Kombineret med andre metoder, især spektroskopi, er der ikke tvivl om, at NMR vil få en endnu mere fremtrædende plads i den kemiske forskning end hidtil.
Som beskrevet har den billeddannende teknik meget til fælles med den spektroskopiske metode. Den direkte kobling til sundhedssektoren gennem fælles instrumentleverandører og mange fælles videnskabelige miljøer vil understøtte udviklingen af NMR-metoden i årene, der kommer. Som kemikere skal vi sørge for fortsat at være med i denne udvikling.
Referencer
1. Lauterbur P.C. (1973). »Image formation by induced local interactions – examples employing nuclear magnetic-resonance«. Nature 242, 190-191.
2. Garroway A.N, Grannell P.K, Mansfield P. (1974). »Image-formation in NMR by a selective irradiative process«. J. Phys. C 7, L457.
3. Mansfield P. (1977). »Multi-planar-image-formation using NMR spin echoes«. J. Phys. C 10, L55.
4. Kumar A, Welti D, Ernst R.R. (1975), »NMR Fourier zeugmatography«. J. Magn. Reson. 18, 69-83.
5. Gadian D.G. »NMR and its applications to living systems«. Oxford University Press, New York 1995.
6. Danielsen E.R, Ross B. »Magnetic resonance spectroscopy diagnosis of neurological deseases«. Marcel Decker 1999.
7. Gladden L.F. (1994) »Nuclear magnetic resonance in chemical engineering: principles and applications«. Chem. Eng. Sci. 49, 3339-3408.
8. Miller J.B. (1998) »NMR imaging of materials«. Prog. in NMR spectrosc. 33, 273-308.
9. Skibsted J, Hall C, Jakobsen H.J. »Nuclear magnetic resonance spectroscopy and magnetic resonance imaging of cements and cement-based materials« i J Bensted and P Barnes (eds) Structure and Performance of Cements, Second edn, Taylor and Francis, London 2002.
10. Williams J.L.A, Madenelli G, Taylor D.G. (1994). »Selective magnetic resonance imaging of chemicals in sandstone cores during flow«. J. Magn. Reson. A109, 124-128.
11. Iwamiya J.H, Sinton S.W. (1995) »Stray-field magnetic resonance imaging of solid materials«. Solid State Nucl. Magn. Reson. 6, 333-345.
12. Schmidt S.J, Sun X.Z, Lichtfield J.B. (1996) »Applications of magnetic resonance in food science«. Crit. Rev. Food Sci. 36, 357-385.
13. Frydman L, Scherf T, Lupulescu A. (2002). »The acquisition of multidimensional NMR spectra within a single scan«. P. Natl. Acad. Sci. USA 99, 15858-15862.
Figur 1. Øverst: Skematisk fremstilling af Lauterburs metode til billeddannelse ud fra et antal endimensionale NMR-spektre.
Nederst: Det fremkomne 1H NMR-billede af tværsnittet af to kapillærrør indeholdende vand.
