eng
Выпуск #5/2019
И.В.Яминский, А.И.Ахметова, Г.Б.Мешков, О.В.Синицына
Методы зондовой микроскопии для магнитно-резонансной томографии и спектроскопии
Методы зондовой микроскопии для магнитно-резонансной томографии и спектроскопии
Просмотры: 3281
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.5.280.283
Повышение чувствительности, пространственного и временного разрешения в магнитно-резонансной томографии и спектроскопии биологических объектов в естественных средах является актуальной задачей, которую можно решить, совместив методы сканирующей зондовой микроскопии и ЯМР-спектроскопии. Оригинальная программно-аппаратная платформа позволит одновременно измерение морфологии, структуры и молекулярного состава биомакромолекул, иммобилизированных на поверхности твердой подложки.
Повышение чувствительности, пространственного и временного разрешения в магнитно-резонансной томографии и спектроскопии биологических объектов в естественных средах является актуальной задачей, которую можно решить, совместив методы сканирующей зондовой микроскопии и ЯМР-спектроскопии. Оригинальная программно-аппаратная платформа позволит одновременно измерение морфологии, структуры и молекулярного состава биомакромолекул, иммобилизированных на поверхности твердой подложки.
Теги: image processing and analysis magnetic resonance imaging scanning probe microscopy spectroscopy магнитно-резонансная томография обработка и анализ изображений сканирующая зондовая микроскопия спектроскопия
И.В.Яминский1, 2, 3, 4, д.ф.-м.н., проф., генеральный директор Центра перспективных технологий, директор Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.И.Ахметова1, 2, 3, инженер НИИ ФХБ имени А.Н.Белозерского МГУ, ведущий специалист Центра перспективных технологий и Энергоэффективных технологий (ORCID: 0000-0001-6363-8202), Г.Б.Мешков1, к.ф.-м.н., ст. науч. сотрудник, физический ф-т МГУ имени М.В.Ломоносова (ORCID: 0000-0003-3930-3730), О.В.Синицына4, к.х.н., науч. сотрудник
(ORCID: 0000-0003-3381-6156) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminsky1, 2, 3, 4, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), Prof., Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.I.Аkhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-6363-8202), G.B.Meshkov1, PhD in Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher of Physics Faculty of Lomonosov Moscow State University, (ORCID:0000-0003-3930-3730), O.V.Sinitsyna4, Cand. of Sc. (Chemistry), Scientific Researcher, (ORCID: 0000-0003-3381-6156)
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.5.280.283
Получено: 02.08.2019 г.
Повышение чувствительности, пространственного и временного разрешения в магнитно-резонансной томографии и спектроскопии биологических объектов в естественных средах является актуальной задачей, которую можно решить, совместив методы сканирующей зондовой микроскопии и ЯМР-спектроскопии. Оригинальная программно-аппаратная платформа позволит одновременно проводить измерение морфологии, структуры и молекулярного состава биомакромолекул, иммобилизированных на поверхности твердой подложки.
Nowadays, the crucial task in the spectroscopy of biological objects in the natural conditions and magnetic resonance tomography is to increase the spatial and time resolution and sensitivity. It may be solved by combining the methods of scanning probe microscopy and NMR spectroscopy. It was shown that the original hardware and software platform permits to measure simultaneously the morphology, structure and molecular composition of biomacromolecules immobilized on a hard substrate surface.
Сканирующая зондовая микроскопия позволяет визуализировать объекты с атомным разрешением на воздухе и в жидкости [1, 2]. В настоящее время методы совмещенной оптической и сканирующей зондовой микроскопии активно применяются для повышения чувствительности, пространственного и временного разрешения магнитно-резонансной томографии (МРТ). C помощью азото-замещенной вакансии в алмазе осуществлена регистрация спинового магнитного резонанса от одиночной белковой молекулы [3].
Сканирующим туннельным микроскопом с помощью магнитного резонанса получено изображение одиночного атома Ti с субангстремным пространственным разрешением [4] и зарегистрированы различные изотопы Fe (56 и 57 а.е.м.) [5]. Также с помощью метода магнитного резонанса определено конкретное расположение изотопов титана на поверхности адатомов кристалла MgO. Атомы азота в вакансиях алмазной решетки могут служить в качестве магнитометров атомного размера, что позволяет измерять поляризацию ядер в ансамблях [6] и регистрировать отдельные спины [7], в том числе в обычных условиях на воздухе [8]. Общепризнано, что, несмотря на существенные успехи, МРТ обладает меньшей чувствительностью, чем, например, масс-спектрометрия, вследствие незначительной величины ядерного намагничивания. Преодолеть этот недостаток позволяет использование спиновой гиперполяризации ядер исследуемых веществ, спиновых меток и новых импульсных радиофизических методов регистрации полезных сигналов.
Основная цель нашего проекта состоит в получении новых данных о структуре и молекулярном строении биологических молекул (белков, вирусов, бактерий, клеток) и их комплексов в естественных средах с помощью измерительной аппаратуры МРТ на базе методов сканирующей зондовой микроскопии. Ключевым в данной работе является разработка и использование специальных кантилеверов с магнитными свойствами в сочетании с оптимизированными прецизионными методами регистрации сигнала в резонансных и импульсных режимах для достижения субнанометрового пространственного разрешения в естественных для биологических объектов средах – на воздухе и в жидкости. Оригинальность конструкций кантилеверов заключается в использовании:
Многофункциональная сканирующая зондовая микроскопия позволит достичь высокого пространственного разрешения в МРТ благодаря многочисленным режимам: сканирующей туннельной, атомно-силовой, сканирующей резистивной, капиллярной, магнитно-силовой, кельвин-микроскопии, электросиловой микроскопии в сочетании с микроскопией магнитно-резонансной томографии. Для достижения высокого временного разрешения будет доработана и модернизирована быстродействующая электроника сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан" (рис.1) и программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" [9].
В частности, в электронику будет интегрирована система выделения слабого сигнала в шумовом фоне с использованием синхронного усилителя SR844 (Stanford Research Systems, Великобритания). Измерения будут проводиться с использованием прецизионных цифро-аналоговых и аналогово-цифровых преобразователей разрядностью 20 бит и тактовой частотой 1 МГц.
Использование гиперполяризованного изотопа Xe129 для визуализации клеточных структур, нанопор и ионных каналов в мембране клеток позволяет существенно повысить уровень полезного сигнала.
Ксенон взаимодействует со многими различными рецепторами и ионными каналами клеток и является перспективным кандидатом в качестве анестетика. Ксенон является антагонистом рецептора NMDA с высоким сродством к глициновому сайту [10]. Следует заметить, что ксенон не является нейротоксичным и оказывает нейропротекторное действие. В работе планируется визуализировать ингибирование ксеноном Са2+-АТФазы плазматической мембраны, а также изучить пространственное расположение других ионных каналов клеточной стенки. Для этих целей будет использоваться водный физиологический раствор, обогащенный изотопом ксенона Xe129.
Гиперполяризованный ксенон можно использовать также для определения химического состава поверхности. Обычно представляется трудным охарактеризовать поверхности с помощью ЯМР, поскольку сигналы от поверхности существенно меньше сигналов от атомных ядер в объеме образца, которые намного более многочисленны, чем поверхностные ядра. Однако ядерные спины на твердых поверхностях можно избирательно поляризовать, перенеся на них спиновую поляризацию из гиперполяризованного ксенонового газа. Это делает поверхностные сигналы достаточно сильными, чтобы измерять и отличать от объемных сигналов. Соответствующие эксперименты могут быть проведены совмещенными методами сканирующей зондовой микроскопии и ядерного магнитного резонанса. Для локальной доставки растворов, обогащенных гиперполяризованным ксеноном, следует использовать сканирующую капиллярную микроскопию.
В работе планируется использовать алмазные подложки с внедренными атомами азота в качестве квантовых магнетометров. Для анализа биомакромолекул, вирусов и клеток следует использовать совмещенные методы атомно-силовой микроскопии и ЯМР-спектроскопии. Дополнительно требуется оценить возможности по использованию алмазных зондов с внедренными атомами азота в качестве магниточувствительного сенсора (квантового магнитометра) с оптической регистрацией сигнала.
В результате будет создана экспериментальная установка, совмещающая возможности сканирующей зондовой микроскопии и метода спинового резонанса со следующими параметрами:
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-52-560001.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. Advanced methods of high-speed probe microscopy for biomedicine and new functional materials // Nanoindustry. 2019. V. 12. No.3 (89). PP. 22–24.
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. FemtoScan Online Software in solving problems of biology and medicine // Medicine and High Technologies. 2019. № 1. P. 16–22.
Shi F. et al., Single-protein spin resonance spectroscopy under ambient conditions // Science 347, 2015, 1135–1138.
Willke P. et.al., Magnetic resonance imaging of single atoms on a surface // Nature Physics. 2019.
Willke P. et.al., Hyperfine interaction of individual atoms on a surface // Science 362, 2018, 336–339.
Mamin H.J. et al., Science 339, 2013, 557–560. T. Staudacher et al., Science 339, 561–563, 2013.
Sushkov A.O. et al., Phys. Rev. Lett. 113, 197601, 2014.
Childress L., Walsworth R.L., Lukin M.D., Phys. Today 67, 38–43, 2014.
Яминский И., Филонов А., Синицына О., Мешков Г. Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" // Наноиндустрия. 2016. № 2(64). С. 42–46.
Banks P., Franks N.P., Dickinson R. Competitive inhibition at the glycine site of the N-methyl-D-aspartate receptor mediates xenon neuroprotection against hypoxia-ischemia // Anesthesiology. 112 (3): 614–22, 2010.
(ORCID: 0000-0003-3381-6156) / yaminsky@nanoscopy.ru
I.V.Yaminsky1, 2, 3, 4, Doctor of Sc. (Physics and Mathematics), Prof., Director of Advanced Technologies Center, Director of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-8731-3947), А.I.Аkhmetova1, 2, 3, Engineer of A.N.Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Leading Specialist of Advanced Technologies Center and of Energy Efficient Technologies, (ORCID: 0000-0001-6363-8202), G.B.Meshkov1, PhD in Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher of Physics Faculty of Lomonosov Moscow State University, (ORCID:0000-0003-3930-3730), O.V.Sinitsyna4, Cand. of Sc. (Chemistry), Scientific Researcher, (ORCID: 0000-0003-3381-6156)
DOI: 10.22184/1993-8578.2019.12.5.280.283
Получено: 02.08.2019 г.
Повышение чувствительности, пространственного и временного разрешения в магнитно-резонансной томографии и спектроскопии биологических объектов в естественных средах является актуальной задачей, которую можно решить, совместив методы сканирующей зондовой микроскопии и ЯМР-спектроскопии. Оригинальная программно-аппаратная платформа позволит одновременно проводить измерение морфологии, структуры и молекулярного состава биомакромолекул, иммобилизированных на поверхности твердой подложки.
Nowadays, the crucial task in the spectroscopy of biological objects in the natural conditions and magnetic resonance tomography is to increase the spatial and time resolution and sensitivity. It may be solved by combining the methods of scanning probe microscopy and NMR spectroscopy. It was shown that the original hardware and software platform permits to measure simultaneously the morphology, structure and molecular composition of biomacromolecules immobilized on a hard substrate surface.
Сканирующая зондовая микроскопия позволяет визуализировать объекты с атомным разрешением на воздухе и в жидкости [1, 2]. В настоящее время методы совмещенной оптической и сканирующей зондовой микроскопии активно применяются для повышения чувствительности, пространственного и временного разрешения магнитно-резонансной томографии (МРТ). C помощью азото-замещенной вакансии в алмазе осуществлена регистрация спинового магнитного резонанса от одиночной белковой молекулы [3].
Сканирующим туннельным микроскопом с помощью магнитного резонанса получено изображение одиночного атома Ti с субангстремным пространственным разрешением [4] и зарегистрированы различные изотопы Fe (56 и 57 а.е.м.) [5]. Также с помощью метода магнитного резонанса определено конкретное расположение изотопов титана на поверхности адатомов кристалла MgO. Атомы азота в вакансиях алмазной решетки могут служить в качестве магнитометров атомного размера, что позволяет измерять поляризацию ядер в ансамблях [6] и регистрировать отдельные спины [7], в том числе в обычных условиях на воздухе [8]. Общепризнано, что, несмотря на существенные успехи, МРТ обладает меньшей чувствительностью, чем, например, масс-спектрометрия, вследствие незначительной величины ядерного намагничивания. Преодолеть этот недостаток позволяет использование спиновой гиперполяризации ядер исследуемых веществ, спиновых меток и новых импульсных радиофизических методов регистрации полезных сигналов.
Основная цель нашего проекта состоит в получении новых данных о структуре и молекулярном строении биологических молекул (белков, вирусов, бактерий, клеток) и их комплексов в естественных средах с помощью измерительной аппаратуры МРТ на базе методов сканирующей зондовой микроскопии. Ключевым в данной работе является разработка и использование специальных кантилеверов с магнитными свойствами в сочетании с оптимизированными прецизионными методами регистрации сигнала в резонансных и импульсных режимах для достижения субнанометрового пространственного разрешения в естественных для биологических объектов средах – на воздухе и в жидкости. Оригинальность конструкций кантилеверов заключается в использовании:
- зондов на основе алмаза с внедренными атомами азота,
- зондов с ферромагнитными включениями нанометрового масштаба,
- зондов с молекулярными конструкциями острия на базе единичных атомов и их кластеров.
Многофункциональная сканирующая зондовая микроскопия позволит достичь высокого пространственного разрешения в МРТ благодаря многочисленным режимам: сканирующей туннельной, атомно-силовой, сканирующей резистивной, капиллярной, магнитно-силовой, кельвин-микроскопии, электросиловой микроскопии в сочетании с микроскопией магнитно-резонансной томографии. Для достижения высокого временного разрешения будет доработана и модернизирована быстродействующая электроника сканирующего зондового микроскопа "ФемтоСкан" (рис.1) и программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" [9].
В частности, в электронику будет интегрирована система выделения слабого сигнала в шумовом фоне с использованием синхронного усилителя SR844 (Stanford Research Systems, Великобритания). Измерения будут проводиться с использованием прецизионных цифро-аналоговых и аналогово-цифровых преобразователей разрядностью 20 бит и тактовой частотой 1 МГц.
Использование гиперполяризованного изотопа Xe129 для визуализации клеточных структур, нанопор и ионных каналов в мембране клеток позволяет существенно повысить уровень полезного сигнала.
Ксенон взаимодействует со многими различными рецепторами и ионными каналами клеток и является перспективным кандидатом в качестве анестетика. Ксенон является антагонистом рецептора NMDA с высоким сродством к глициновому сайту [10]. Следует заметить, что ксенон не является нейротоксичным и оказывает нейропротекторное действие. В работе планируется визуализировать ингибирование ксеноном Са2+-АТФазы плазматической мембраны, а также изучить пространственное расположение других ионных каналов клеточной стенки. Для этих целей будет использоваться водный физиологический раствор, обогащенный изотопом ксенона Xe129.
Гиперполяризованный ксенон можно использовать также для определения химического состава поверхности. Обычно представляется трудным охарактеризовать поверхности с помощью ЯМР, поскольку сигналы от поверхности существенно меньше сигналов от атомных ядер в объеме образца, которые намного более многочисленны, чем поверхностные ядра. Однако ядерные спины на твердых поверхностях можно избирательно поляризовать, перенеся на них спиновую поляризацию из гиперполяризованного ксенонового газа. Это делает поверхностные сигналы достаточно сильными, чтобы измерять и отличать от объемных сигналов. Соответствующие эксперименты могут быть проведены совмещенными методами сканирующей зондовой микроскопии и ядерного магнитного резонанса. Для локальной доставки растворов, обогащенных гиперполяризованным ксеноном, следует использовать сканирующую капиллярную микроскопию.
В работе планируется использовать алмазные подложки с внедренными атомами азота в качестве квантовых магнетометров. Для анализа биомакромолекул, вирусов и клеток следует использовать совмещенные методы атомно-силовой микроскопии и ЯМР-спектроскопии. Дополнительно требуется оценить возможности по использованию алмазных зондов с внедренными атомами азота в качестве магниточувствительного сенсора (квантового магнитометра) с оптической регистрацией сигнала.
В результате будет создана экспериментальная установка, совмещающая возможности сканирующей зондовой микроскопии и метода спинового резонанса со следующими параметрами:
- измерения в контролируемой газовой атмосфере клеточных структур и модельных образцов;
- измерения в гелиевой атмосфере (изотоп ксенона с атомной массой 129) клеточных структур и модельных образцов;
- изучение контраста ЯМР сигнала клеточной мембраны от содержания в растворе гиперполяризованного ксенона.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 17-52-560001.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCE
Yaminsky I.V., Akhmetova A.I., Meshkov G.B. Advanced methods of high-speed probe microscopy for biomedicine and new functional materials // Nanoindustry. 2019. V. 12. No.3 (89). PP. 22–24.
Akhmetova A.I., Yaminsky I.V. FemtoScan Online Software in solving problems of biology and medicine // Medicine and High Technologies. 2019. № 1. P. 16–22.
Shi F. et al., Single-protein spin resonance spectroscopy under ambient conditions // Science 347, 2015, 1135–1138.
Willke P. et.al., Magnetic resonance imaging of single atoms on a surface // Nature Physics. 2019.
Willke P. et.al., Hyperfine interaction of individual atoms on a surface // Science 362, 2018, 336–339.
Mamin H.J. et al., Science 339, 2013, 557–560. T. Staudacher et al., Science 339, 561–563, 2013.
Sushkov A.O. et al., Phys. Rev. Lett. 113, 197601, 2014.
Childress L., Walsworth R.L., Lukin M.D., Phys. Today 67, 38–43, 2014.
Яминский И., Филонов А., Синицына О., Мешков Г. Программное обеспечение "ФемтоСкан Онлайн" // Наноиндустрия. 2016. № 2(64). С. 42–46.
Banks P., Franks N.P., Dickinson R. Competitive inhibition at the glycine site of the N-methyl-D-aspartate receptor mediates xenon neuroprotection against hypoxia-ischemia // Anesthesiology. 112 (3): 614–22, 2010.
Отзывы читателей
