Student World

V pondělí byli vyhlášeni laureáti Nobelovy ceny za fyziologii a lékařství a v následujících dnech za další přírodovědecké obory, fyziku a chemii. Je očividné, že Nobelových cenám, ostatně jako už mnohokrát v minulosti, panuje kvantová fyzika.

Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství letos nezískali lékaři, ale americký profesor chemie Paul Lauterbur (nar. 1929) z Illionské univerzity v Chicagu a britský profesor fyziky Peter Mansfield (nar. 1933) z univerzity v Nottinghamu. Švédská královská akademie věd své rozhodnutí odůvodnil slovy: „za jejich objevy vztahující se k metodě zobrazování magnetické rezonance“.

Magnetická rezonance a její využití není novinkou. Za vypracování precizního způsobu měření magnetického pole v jádru atomu byla již v roce 1952 oceněna Nobelovou cenou za fyziku. Získala ji dvojice vědců Felix Bloch (Německo, http://www.nobel.se/physics/laureates/1952/bloch-bio.html)a Edward Purcell (USA, http://www.nobel.se/physics/laureates/1952/index.html). Bloch se výzkumem chování atomového jádra v magnetickém poli zabýval ještě před válkou. Zatímco se mu na Stanfordské univerzitě podařilo určit magnetický moment neutronu s jednoprocentní přesností, Purcell na základě této práce po válce rozpracoval metodu nukleární magnetické rezonance (NMR).
V následujících letech se metoda magnetické rezonance stala nenahraditelnou při přesném stanovování struktury chemických látek. O tom svědčí i fakt, že tato oblast byla poměrně nedávno odměněna již dvěma Nobelovými cenami za chemii, které putovaly do rukou švýcarských chemiků, jimiž jsou Richard Ernst (Nobelova cena 1991, http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1991) a Kurt Wüthrich (Nobelova cena 2002, http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2002/index.html). Ocenění získali za rozvinutí neobyčejně přesné spektroskopie založené na nukleární magnetické rezonanci.

Přesnou NMR spektroskopii, jež se začala rozvíjet koncem 60. a začátkem 70. let, umožnil jednak rozvoj počítačových technologií, jednat technologie supravodivých materiálů. Právě zavedení supravodivých magnetů umožnilo zvýšení magnetického pole a tím i citlivosti této metody. Díky NMR spektroskopii se podařilo odpovědět např. na některé zásadní otázky makromolekulární chemie a biologie – šlo zvláště o získání kompletních informací o skeletech molekul s prostorovým uspořádáním atomů. Příkladem může být strukturní analýza proteinů: projekt Protein Data Bank, který dnes obsahuje desetitisíce souborů dat s prostorovými souřadnicemi atomů jednotlivých proteinů, nukleových kyselin, jejich komplexů a dalších biopolymerů.

Od roku 1980 se magnetická rezonance začala uplatňovat i v lékařské praxi. Praktické využití v medicíně umožnila právě metoda NMR zobrazování (MR imaging, zkráceně též MRI). Jakmile bylo možné využít supravodivých magnetů, stala se z MRI nejpřesnější diagnosticko-zobrazovací metoda v lékařství. Pozoruhodné je, že dokáže zachytit i jemné změny tkání, které předcházejí vypuknutí choroby. Z tohoto důvodu je přesnější a dokonalejší než počítačová tomografie (computer tomography, CT), která svého času způsobila v diagnostice takřka stejnou revoluci jako kdysi objev rentgenových paprsků.

Princip nukleární magnetické rezonance vychází z poznatků kvantové mechaniky. Důležitou roli zde hraje spin, vnitřní stupeň volnosti dané částice. NMR využívá magnetických vlastností jader některých atomů, přesněji atomů, jejichž jádra mají spinové kvantové číslo I = ½ (částice s polovičním spinem označujeme jako fermiony a vztahuje se na ně Fermiho-Diracova statistika). V lékařství jde především o jádra vodíku, neboť vodík je obsažený ve vodě, která tvoří asi 80% lidského těla. Jádrem vodíku je proton, který má poloviční spin. Díky tomu má i jaderný magnetický moment. Zapůsobíme-li na jádra vodíku silným magnetickým polem, dochází k excitaci jeho jader. Poněkud zjednodušeně si to můžeme představit tak, že se spin „srovná se do jednoho směru“. Když do „srovnaných jader“ následně vyšleme razantní radiofrekvenční impuls, vychýlí se jádra s různou intenzitou, ale po určité chvíli se s různou rychlostí opět znovu seřadí do jednoho směru. Návrat do rovnovážného stavu se popisuje jako tzv. FID (free induction decay, volné doznívání indukce).
Právě pomocí FID lze zachytit i velice jemnou odpověď tkáně. Tato elektromagnetická ozvěna je následně počítačem zpracována do digitálního formátu, který díky speciálnímu grafickému softwarovému vybavení umožňuje vytvořit nebývale přesný obraz tkáně.

Nobelova cena za fyziologii a lékařství byla v tomto roce udělena za objevy, jež umožnily konečné zpracování dat získaných NMR. Když Peter Mansfield pracoval na začátku 70. let v Ústavu pro lékařský výzkum Maxe Plancka v Heidelbergu, objevil, jak signály z magnetické rezonance matematicky analyzovat. O jak užitečný objev šlo, se ukázalo záhy. Byl to vlastně první krok k metodě MRI. A další krok učinil Paul Lauterbur, když se mu podařilo rozpracovat způsob, jak data získaná touto metodou vizualizovat do dvoudimenzionálních průřezů. Díky vědecké práci této dvojice byla vyvinuta moderní metoda magnetické rezonance (MRI), která představuje významný pokrok v lékařské diagnostice a výzkumu.

Diagnostické přístroje využívající MRI jsou dnes využívány ve špičkových zdravotnických zařízeních po celém světě. V České republice byl přístroj MRI poprvé instalován v roce 1995 v pražské Nemocnici na Homolce. Protože se jedná o nákladnou technologii (cena jednoho přístroje se pohybuje v rozmezí 50-60 milionů Kč), je využívána jen v případě, kdy jsou jiné metody, jako je rentgenové vyšetření nebo CT, nedostačující nebo neúčinné. Zejména jde o vyšetření mozku a páteře.

Odkazy:

Nobel Prize:
http://www.nobel.se
http://www.nobel.se/medicine/laureates/2003/press.html

The Basic of MRI
http://www.cis.rit.edu/htbooks/mri

Druhý díl seriálu (fyzika)
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/C4082904532655B3C1256DBF0036ABFF

Třetí díl seriálu (chemie)
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/0BC262AFF133FFD0C1256DC1003018F3

autor Jan Kapoun