Ларс Орстрём - Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

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 Gd 3+. 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 Gd 3+, 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 Gd 3+, 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 LD 50) [266] Средняя смертельная доза, то есть количество яда, которое вызывает гибель 50 % группы подопытных животных. , 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] Material Safety Data Sheet, Potassium Nitrate. Fisher Scientific, 2008; Material Safety Data Sheet, Gadolinium(III) Nitrate Hexahydrate, 99.9 %. Fisher Scientific, 2008. .

Это не значит, что беспокоиться не о чем. Некоторые контрастные агенты на основе гадолиния не рекомендованы людям с заболеваниями почек [268] Information on Gadolinium-based Contrast Agents. U.S. Food and Drug Administration, 2010. URL: http://www.fda.gov/Drugs/DrugSafety/PostmarketDrugSafetyInformationforPatientsandProviders. , 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] Между прочим, я заметил, что в наши дни, когда классический греческий язык почти исчез из учебной программы по литературе и гуманитарным наукам даже в Великобритании, студенты естественных наук и практические специалисты в этой области остались среди тех немногих, кто владеет хоть какой-то лексикой из классического греческого и кто знает, что Λ – это буква Л, а не какая-то странная греческая разновидность буквы А, и что Σ – это С, а не замысловатая Е. , 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.