Ученые в 12 000 раз усилили сигналы ядер селена-77 и упростили их поиск в биологически активных молекулах

Ученые увеличили чувствительность анализа селенсодержащих соединений методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР), в котором структуру вещества оценивают по тому, как магнитные моменты ядер атомов в молекуле ведут себя в магнитном поле. Новая методика повысила чувствительность ЯМР для изотопа селена-77 к магнитному полю и в 12 000 раз усилила сигнал от его ядер. Предложенный подход позволяет выявлять даже микромолярные концентрации селенсодержащих соединений, благодаря чему может использоваться для изучения биологически активных веществ с потенциальными противоопухолевыми и антимикробными свойствами. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of the American Chemical Society.

Для исследования структуры веществ, в том числе потенциальных лекарств, используют метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В рамках этого подхода молекулу помещают в магнитное поле, под действием которого собственные магнитные моменты (спины) ее ядер ориентируются. В результате ядра поглощают или испускают определенные — специфичные для разных элементов — радиочастотные сигналы, по которым можно определить химический состав и молекулярную структуру соединений. Однако спины не всех ядер достаточно интенсивно реагируют на магнитное поле, из-за чего сигнал от них получается слишком слабым для детектирования спектра ЯМР. Особенно сильно это проявляется в случае редких изотопов — вариантов одного и того же атома с разной массой. Один из них — селен-77 — играет важную роль в биологии и медицине, поскольку входит в состав ферментов, например, защищающих клетки от окислительного стресса, и перспективных противоопухолевых препаратов. Поэтому для его обнаружения в молекулах приходится использовать методы, позволяющие усилить сигнал, но они затратны, требуют сложного оборудования и крайне низких температур, а потому сложны в реализации.

Ученые из Международного томографического центра СО РАН (Новосибирск), Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород) и Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН (Москва) нашли простой способ на порядки усилить сигналы ядерного магнитного резонанса при анализе селенсодержащих молекул.

В рамках нового подхода исследуемое вещество помещают в магнитное поле вместе с иридиевым катализатором. Затем через раствор пропускают параводород — форму молекулы водорода, в которой магнитные моменты (спины) ядер ориентированы в противоположных направлениях. Такое соединение «невидимо» для детектирующего прибора, поэтому его присутствие не искажает результаты анализа. Параводород и исследуемая молекула обратимо и ненадолго связываются с катализатором, и в этом комплексе поляризация ядер водорода переносится сначала на спин ядра азота, а затем на спин ядра селена-77 в анализируемой молекуле, при этом сигнал ЯМР селена-77 значительно усиливается.

Описанный процесс по времени длится всего несколько секунд и осуществляется при комнатной температуре, поэтому оказывается гораздо быстрее и намного дешевле других методов создания ядерной гиперполяризации. Главным условием успеха было оптимальное магнитное поле, почти в 100 раз слабее магнитного поля Земли, которое обеспечило высокую эффективность переноса поляризации. Для его создания ученые использовали магнитный экран.

Авторы применили предложенный способ для анализа селенсодержащего органического соединения с потенциальной антимикробной и противоопухолевой активностью. С помощью нового подхода ученые в 12 000 раз усилили сигнал от ядер селена и зарегистрировали в образце редкие молекулы с двумя ядерными изотопами в своем составе — селеном-77 и азотом-15, — доля которых составила всего 0,028% от общего количества исследуемых молекул.

Разработанный метод будет особенно ценен при изучении перспективных селенсодержащих препаратов, в частности соединений класса селендиазолов, которые демонстрируют выраженную противоопухолевую и антимикробную активность.

«Предложенная технология перспективна сразу в нескольких областях науки. В фармацевтике она может значительно ускорить разработку новых лекарственных препаратов и агрохимикатов. В биомедицинских исследованиях открывает уникальные возможности для мониторинга биохимических процессов с участием селена. Кроме того, метод обещает революционные изменения в диагностической медицине, где на его основе можно будет создать новые высокочувствительные контрастные агенты для магнитно-резонансной томографии. В дальнейшем мы планируем прейти к еще более эффективному методу создания поляризации с использованием колеблющихся на аудиочастотах электромагнитных полей, сравнимых по напряженности с полем Земли. Мы хотим избежать использования при этом магнитного экрана и получить тем самым возможность создавать портативные поляризаторы для биомедицинских приложений», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Алексей Кирютин, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории фотохимических радикальных реакций Международного томографического центра СО РАН.