Нобелевские премии: физики снова в почете

Присуждение Нобелевской премии этого года в области физиологии и медицины прошло под знаком точных наук. Лауреатами стали не врачи и даже не биологи. Химик Пол Лотербур (США) и физик Питер Мэнсфилд (Великобритания) сделали фундаментальные открытия, которые привели к развитию магнитно-резонансной томографии, ставшей настоящим прорывом в медицине.

Метод МРТ основан на двух простых фактах - на том, что человеческое тело на две трети состоит из воды, и на свойстве протонов, входящих в состав молекулы воды, изменять свое "поведение" в магнитном поле. При воздействии радиочастотными импульсами на биологический объект, помещенный в магнитное поле, происходит поглощение их энергии протонами с последующим высвобождением в виде ответных сигналов (эффект магнитного резонанса). Эти открытия были отмечены Нобелевской премией по физике в 1952 г. В течение последующих десятилетий магнитный резонанс использовался главным образом в работах по изучению химической структуры различных веществ. В начале 70-х годов лауреаты Нобелевской премии этого года первыми провели исследования, которые впоследствии сделали возможным применение магнитного резонанса в медицине. Дело в том, что патологические процессы при многих заболеваниях являются результатом изменения содержания воды, и это хорошо видно при МРТ.

74-летний Пол Лотербур (Университет штата Иллинойс, США) открыл возможность получения двухмерного изображения благодаря созданию градиента в магнитном поле (возрастание последнего в заданном направлении). Проанализировав характеристики излучаемых радиоволн, он смог определить их происхождение. Это позволило создать двухмерную картинку, которая не могла быть визуализирована другими методами.

70-летний Питер Мэнсфилд (Ноттингемский университет, Великобритания) далее развил использование градиентов в магнитном поле. Он показал, как сигналы могут быть проанализированы математически, и это позволило развить технологию изображения. Мэнсфилд также показал, как чрезвычайно быстро может быть получено изображение.

Первые магнитно-резонансные томографы появились в медицине в начале 80-х годов. Сейчас магнитно-резонансная томография - обычный метод диагностики. В мире ежегодно проводится более 60 млн таких исследований, и данный метод продолжает стремительно развиваться. МРТ заменила сразу несколько инвазивных способов исследования и вследствие этого уменьшила риск и дискомфорт для многих больных.

Человека помещают внутрь большого магнита, где имеется довольно сильное постоянное магнитное поле, ориентированное в большинстве аппаратов вдоль тела пациента. Под воздействием этого поля ядра атомов водорода в теле исследуемого, которые представляют собой маленькие магнитики, каждый со своим слабым магнитным полем, ориентируются определенным образом относительно сильного поля магнита. Добавляя слабое переменное магнитное поле к постоянному, выбирают область, изображение которого надо получить. Затем пациента облучают радиоволнами, причем их частоту подстраивают таким образом, чтобы протоны в его теле могли поглотить часть энергии радиоволн и изменить ориентацию своих магнитных полей относительно направления постоянного магнитного поля. Сразу же после прекращения облучения пациента радиоволнами протоны станут возвращаться в свое первоначальное состояние, образуя резонансную волну, и это будет вызывать появление электрического тока в приемных катушках томографа. Зарегистрированные токи являются МР-сигналами, они преобразуются компьютером и используются для построения изображения.

Контрастность тканей отражает особенности "внутренних", ядерных структур вещества, и она зависит от ряда таких факторов, как строение вещества, взаимодействие между молекулами, молекулярное движение (диффузия, кровоток), что не только позволяет дифференцировать на изображении патологические и здоровые ткани, но и дает возможность наблюдать отражение функциональной деятельности отдельных структур. Выбирая форму облучающего радиоволнового сигнала или импульсной последовательности, можно выделить влияние на тканевую контрастность одного какого-нибудь параметра, и одна и та же ткань на одной томограмме может получиться светлой, а на другой - темной.

На МРТ последнего поколения можно обнаружить минимальные изменения в колебаниях ядра. Благодаря компьютерной обработке стало возможным построить трехмерное изображение, которое отражает химическую структуру ткани, включая изменения в содержании воды и в движении ее молекул. В результате получается очень подробное изображение тканей и органов в исследуемой части тела. Таким же способом могут быть обнаружены патологические изменения на самых ранних стадиях.

Большое преимущество МРТ состоит в том, что она не причиняет пациенту вреда. Этот метод не использует ионизирующее излучение, в отличие от обычных рентгеновских излучений или компьютерной томографии (пионеры ее применения в медицине были отмечены Нобелевской премией 1979 г.). Есть лишь две основные группы больных, которым этот метод противопоказан. Это пациенты, имеющие в теле металлические предметы (например, кардиостимуляторы), а также страдающие клаустрофобией.

Сегодня МРТ используется для исследований почти всех органов. Данная технология особенно ценна для детального изображения головного и спинного мозга. Почти все заболевания мозга изменяют состав воды, что хорошо видно при МРТ. Этот метод часто позволяет найти причину таких жалоб больных, как головная боль, головокружения, снижение зрения, глухота и т.д. Для выявления патологического изменения достаточно различия в составе воды менее чем на 1%.

Другой пример - длительная боль в спине, ведущая к большим страданиям пациента и высоким затратам на лечение. Важно выявить разницу между мышечной болью и болью, вызванной сдавлением нерва или вещества спинного мозга. С помощью МРТ можно увидеть, произошло ли вызывающее боль смещение межпозвонкового диска, и определить, нужна ли операция. С тех пор как МРТ стала давать трехмерное изображение, возможно точное определение очага локализации патологического процесса, что очень значимо при планировании хирургических вмешательств.

МРТ-исследования очень информативны в диагностике рака, его лечении и последующей реабилитации больных. Изображения могут точно показать границы опухоли - это способствует более щадящей хирургии и прицельной лучевой терапии. Перед хирургическим вмешательством особенно важно знать, распространилась ли опухоль на окружающие ткани, и здесь МРТ, выявляя разницу между тканями, дает более точную, чем другие методы, информацию. МРТ также позволяет четко определить стадию опухоли, что крайне важно для выбора методов лечения.

МРТ может заменить использовавшиеся ранее инвазивные исследования и вследствие этого уменьшить страдания многих пациентов. Пример - исследование органов желудочно-кишечного тракта с помощью эндоскопа в некоторых случаях вело к серьезным осложнениям. Сегодня соответствующая информация может быть получена с помощью МРТ. Этот метод позволяет также заменить артроскопию.

- МРТ открыла новые возможности в оценке лечения эндокардитов, пороков и опухолей сердца, тромбозов и тромбоэмболий - так прокомментировал "МГ" присуждение Нобелевской премии этого года генеральный директор Российского кардиологического научно-производственного комплекса академик РАН и РАМН Евгений Чазов. - С ее помощью можно объективизировать результаты самых сложных методов лечения. Диапазон возможностей эффективного лечения будет расширяться, МРТ и другие методы диагностики изменятся коренным образом. С помощью трехмерной магнитно-резонансной томографии уже сегодня можно прекрасно наблюдать все волокна миокарда, что в самом ближайшем будущем позволит точно оценивать эффективность действия целого ряда препаратов.

Если Нобелевская премия 2003 г. по физиологии и медицине оказалась "физико-химической", то по премии по физике и химии - во многом медицинскими. Престижную награду получат два известных российских физика-теоретика - академики Виталий Гинзбург из Физического института им. П.Н.Лебедева РАН и Алексей Абрикосов, работающий в настоящее время в Аргоннской национальной лаборатории (Иллинойс, США), а также профессор Энтони Дж. Леггетт (Университет Иллинойс, США). Эти ученые внесли решающий вклад в объяснение двух феноменов квантовой физики - сверхпроводимости и сверхтекучести. Сверхпроводящие материалы применяются, например, для формирования изображения в медицинском оборудовании, таком как магнитные сканеры и те же магнитно-резонансные томографы.

А нобелевскими лауреатами в области химии стали американские ученые Питер Агр (Университет Джона Хопкинса, Балтимор) и Родерик Мак-Киннон (Университет Рокфеллера, Нью-Йорк). Премия присуждена за практическое доказательство существования ионных каналов в клеточных мембранах. Эти ученые показали, каким образом ионы солей и вода проникают в клетки человеческого организма. Агр удостоен премии за открытие механизма проникновения воды в клетки, а Мак-Киннон - за исследования структуры и механизмов проникновения ионов солей.

Известно, что самые выдающиеся открытия происходят на стыке разных наук - физики, химии, биологии, медицины. Присуждение нобелевских премий этого года стало лишним тому подтверждением.

Федор СМИРНОВ.