Hel w płucach. O nowych metodach obrazowania medycznego

Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) podaje informację o szacunkowej liczbie 65 milionów ludzi cierpiących na przewlekłą obturacyjną chorobę płuc (Chronic Obstructive Pulmonary Disease, COPD). W 2005 roku przyczyną 5 proc. wszystkich zgonów na świecie była niewydolność płuc powiązana z COPD. Liczba zgonów z powodu COPD może wzrosnąć o ponad 30 proc. w ciągu najbliższych 10 lat. Do czynników zwiększających zagrożenie tą chorobą należą zarówno palenie tytoniu jak i narażenie dróg oddechowych na kontakt z zanieczyszczonym powietrzem. Jeszcze przed epidemią choroby układu oddechowego COVID-19 organizacja WHO prognozowała, że do roku 2030 niewydolność oddechowa płuc powiązana z COPD stanie się trzecią główną przyczyną zgonów na świecie. Autorzy artykułu opublikowanego w PLOS ONE w maju 2020 r. (J. S. Alqahtani i współpracownicy), opierając się na dostępnych danych statystycznych, przekonują o cięższym przebiegu choroby i wyższej śmiertelności spowodowanej wirusem SARS-CoV-2 wśród osób cierpiących na COPD oraz wśród palaczy papierosów. Stosowane powszechnie metody diagnostyki płuc (spirometria, prześwietlenie klatki piersiowej promieniami X) nie wykrywają COPD we wczesnym etapie choroby. Określenie stopnia uszkodzenia miąższu płucnego (popękane pęcherzyki płucne drastycznie zmniejszają powierzchnię wymiany gazowej z krwią) wymaga użycia kontrastu, który dodany do wdychanego powietrza umożliwi zobrazowanie wnętrza płuc i pozwoli zbadać dynamikę ich wentylacji.

Problemy z wodorem

Obrazowanie magnetycznym rezonansem jądrowym (MRI) jest nieinwazyjną techniką pozwalającą uzyskać szczegółowe informacje o wnętrzu ludzkiego ciała. Jednak metoda ta nie może być bezpośrednio zastosowane do badania płuc. Standardowo MRI umożliwia uzyskanie obrazów tkanek dzięki jądrom wodoru znajdującym się w cząsteczkach wody oraz w związkach organicznych. Dzięki różnej koncentracji jąder wodoru w organach naszego ciała, a także specyficznym własnościom tkanek, uzyskuje się bardzo szczegółowe obrazy diagnostyczne. Płuca są jedynym organem, którego obrazowanie magnetycznym rezonansem jądrowym nie jest możliwe. Tkanka pęcherzyków płucnych jest na tyle cienka, że zawarte w niej atomy wodoru nie pozwalają na uzyskanie sygnału rezonansu magnetycznego reprezentowanego następnie na obrazie diagnostycznym jako jasny punkt. Para wodna zawarta w powietrzu wypełniającym płuca jest zbyt rozrzedzona, by w znaczący sposób zwiększyć rejestrowany sygnał. Wykonując obrazowanie rejonu klatki piersiowej uzyskuje się czarny, pozbawiony sygnału obszar w miejscu płuc. Można temu zaradzić, dodając do powietrza wdychanego przez pacjenta odpowiedni gaz. Pojawiły się doniesienia naukowe o możliwości zastosowania w tym celu propanu (A. Kopanski et al., Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 25, 2162 (2017)), którego cząsteczka zawiera osiem atomów wodoru, jednak znacznie bezpieczniejszymi dla zdrowia gazami są nie reagujące chemicznie gazy szlachetne. Wśród izotopów z ostatniej grupy układu okresowego odnajdujemy dwa nadające się do obrazowania płuc: ³He oraz ¹²⁹Xe. Ich jądra atomowe są pod względem własności magnetycznych bardzo podobne do jąder wodoru – charakteryzują się spinem jedna druga.

W tym miejscu warto przypomnieć, że atomy zbudowane są z protonów i neutronów wchodzących w skład jąder oraz z otaczających jądro elektronów. Cząstki te są fermionami, a ich liczba kwantowa nazywana spinem to jedna druga. W polu magnetycznym jądro o spinie połówkowym może się znaleźć w jednym z dwóch stanów energetycznych. Gdy pacjent poddany badaniu MRI znajduje się w polu magnetycznym skanera (a jest to bardzo silne pole o indukcji np. 1.5 T, ponad trzydzieści tysięcy razy silniejsze od ziemskiego pola magnetycznego) orientacje spinowe jąder wodoru w jego organizmie porządkują się. Sygnał rezonansu magnetycznego rejestrowany przez skaner odpowiada dokładnie różnicy energetycznej pomiędzy dwoma stanami jąder wodoru. Różnica ta zależy także od tzw. czynnika żyromagnetycznego i w typowym skanerze klinicznym związana jest z absorpcją oraz emisją fal radiowych o częstotliwości z zakresu ultrakrótkich fal radiowych (64 MHz dla jąder wodoru w 1.5 T). Jądra atomów innych niż wodór mają spin będący sumą wektorową spinów wchodzących w jego skład protonów oraz neutronów. W obrazowaniu rezonansem magnetycznym najwygodniej jest używać jąder o połówkowej liczbie spinowej i właśnie dlatego wśród gazów szlachetnych mogących znaleźć zastosowanie jako środek kontrastowy przy badaniu płuc, wymieniony został tylko ³He oraz ¹²⁹Xe. Częstotliwości rezonansowe jąder tych gazów są inne niż częstotliwość rezonansowa wodoru w zadanym polu magnetycznym, gdyż charakteryzują je inne wartości czynnika żyromagnetycznego. Z tego powodu należy używać innych anten nadawczo-odbiorczych pola radiowego, jest to jednak zagadnienie techniczne i dotyczy dodatkowego wyposażenia urządzenia diagnostycznego. Problemem jest natomiast dużo niższa, ponad dwa tysiące razy, koncentracja jąder gazowego helu lub ksenonu pod ciśnieniem normalnym, w porównaniu do koncentracji jąder wodoru w wodzie albo w tkankach. Termiczna polaryzacja jąder o spinie połówkowym (rozumiana jako różnica w populacji obu poziomów energetycznych) w polu magnetycznym skanera MRI osiąga wartość rzędu 10^-5, co skutkuje bardzo niewielkim sygnałem indukowanym w cewce odbiorczej.

Obrazowanie gęstości protonowej tkanek wykonywane jest z rozdzielczością rzędu milimetra, jednak znacznie niższa gęstość gazu oraz mniejsza wartość czynnika żyromagnetycznego (która także wpływa na rejestrowany sygnał) wykluczają uzyskanie zadowalającego diagnostycznie obrazu płuc. Konieczne jest znaczne zwiększenie stopnia polaryzacji jądrowej gazu. Urządzenie nazywane polaryzatorem pozwala na wytworzenie hiperspolaryzacji gazu. Przedrostek hiper- oznacza bardzo wysoką polaryzację, nawet do stu tysięcy razy większą od polaryzacji termicznej uzyskiwanej w polu magnetycznym skanera. Porcja hiperspolaryzowanego gazu, zmieszana z gazem buforowym (najczęściej azotem), podawana jest pacjentowi czekającemu wewnątrz magnesu urządzenia MRI. Jeden wdech i zatrzymanie porcji gazu w płucach na czas liczony w sekundach pozwala na zobrazowanie wnętrza układu oddechowego. Pacjent po wykonaniu badania oddycha swobodnie powietrzem atmosferycznym, usuwając z płuc gaz szlachetny. Wykonane w ten sposób badanie jest nieinwazyjne, a krótkotrwała obecność w płucach porcji gazu pozbawionej tlenu nie wpływa znacząco na natlenienie krwi. Ze względu na bezpieczeństwo pacjenta, parametr natlenienia krwi jest stale monitorowany pulsoksymetrem.

Optyczna polaryzacja

Możliwość obrazowania wnętrza płuc żywego organizmu metodą rezonansu magnetycznego została zaprezentowana po raz pierwszy w roku 1994. Artykuł został opublikowany w prestiżowym czasopiśmie Nature (M. Albert et al., Nature 370, 199–201 (1994)). Autorzy tego raportu wykorzystali optyczną metodę wytwarzania hyperpolaryzacji jądrowej w ¹²⁹Xe, przewieźli tak przygotowany gaz na znaczną odległość (około 100 km) i po podaniu go do układu oddechowego myszy uzyskali kilka obrazów wnętrza jej płuc. Należy pamiętać, że w procesie oddychania ssaków nie cała objętość gazu znajdującego się w układzie oddechowym wymieniana jest przy każdym oddechu. Wewnątrz płuc zalega pewna ilość gazu, w tym również tlenu. Nawet mała ilość cząsteczek o własnościach paramagnetycznych (a taką własność posiada tlen) znacząco skraca czas, przez jaki utrzymuje się stan wysokiej polaryzacji jądrowej gazu szlachetnego. Podczas zderzeń helu lub ksenonu z cząsteczkami tlenu następuje szybka relaksacja – powrót do stanu przed wytworzeniem wysokiego stopnia polaryzacji jądrowej.

O ile hiperspolaryzowany ksenon zmieszany z gazem buforowym utrzymuje stan polaryzacji przez okres do kilkudziesięciu minut, to w obecności nawet małej domieszki tlenu procesy relaksacyjne zachodzą znacznie szybciej i czas na wykonanie pomiaru skraca się do kilkudziesięciu sekund. Autorzy wspomnianego raportu udowodnili, że pomimo kontaktu ksenonu z tlenem i nabłonkiem pęcherzyków płucnych, możliwe jest uzyskanie silnego sygnału rezonansu magnetycznego i zobrazowanie wnętrza płuc. Drugi z wymienionych wcześniej gazów szlachetnych – 3He, również nadaje się do obrazowania płuc, a jego przechowywanie w odpowiednich warunkach gwarantuje utrzymanie hyperpolaryzacji przez bardzo długi czas, nawet ponad stu godzin. Podjęto udaną próbę transportu spolaryzowanego helu z Europy do Australii, natomiast przewożenie 3He na krótszym dystansie, np. z Moguncji (gdzie wytwarzano polaryzację) do Sheffield oraz do Kopenhagi (gdzie wykonywano kliniczne obrazowanie płuc) było w pewnym okresie rutynową procedurą. Na potrzeby takiego sposobu dystrybucji hiperspolaryzowanego helu opracowano specjalne szklane pojemniki o ściankach pozbawionych zanieczyszczeń magnetycznych oraz pojemniki transportowe wytwarzające pole magnetyczne potrzebne do utrzymania polaryzacji. Po wykorzystaniu helu był on odzyskiwany, by po oczyszczeniu mógł być ponownie poddany procesowi polaryzowania.

Metoda MEOP

Korzyści, jakie daje zastosowanie hiperspolaryzowanych gazów w diagnostyce płuc, usprawiedliwiają budowę skomplikowanych urządzeń do wytwarzania tej polaryzacji. Jak już wspomniano, polaryzacja termiczna uzyskiwana w polu magnetycznym skanera rezonansu magnetycznego nie przekracza wartości 10^-5, nawet w urządzeniach wykorzystujących najsilniejsze magnesy dopuszczone do badań klinicznych o indukcji 3 T. Można oczywiście polaryzować gaz w innym, znacznie silniejszym magnesie nadprzewodzącym i przy obniżonej temperaturze gazu, jednak jest to skomplikowane technicznie i nie pozwala na uzyskanie wystarczającego do obrazowania płuc stopnia polaryzacji. Znacznie wydajniejsze od przedstawionej metody są techniki wykorzystujące tak zwane pompowanie optyczne. Stosując kołowo spolaryzowane światło o długości fali dostrojonej do wybranego przejścia pomiędzy podpoziomami elektronowymi atomów umieszczonych w polu magnetycznym wykorzystuje się moment pędu fotonów do obsadzenia stanów energetycznych różniących się istotnie od obsadzeń w stanie równowagi termodynamicznej. Ideę pompowania optycznego opracował Alfred Kastler, za co w roku 1966 przyznano mu nagrodę Nobla.

Proces pompowania optycznego jest dopiero pierwszym etapem na drodze wytworzenia polaryzacji jądrowej. Kolejnym etapem jest przeniesienie elektronowej orientacji spinowej do jąder polaryzowanych atomów. Oddziaływanie atomu z otoczeniem, w tym wszelkie procesy absorpcji lub emisji fotonu dotyczą struktury elektronowej, w tym elektronów na najbardziej zewnętrznej orbicie. Jak więc stosując pompowanie optyczne i wytworzone nierównowagowe obsadzenie wybranego stanu elektronowego można przenieść na zmianę orientacji spinowej jąder i wytworzenie polaryzacji jądrowej? W przypadku gazów szlachetnych ³He i ¹²⁹Xe używa się dwóch metod.

Pierwsza z nich sprawdza się tylko w przypadku ³He i nazwana została MEOP – Metastability Exchange Optical Pumping (pompowanie optyczne z wymianą metastabilności). Szklaną komórkę napełnia się helem pod niskim ciśnieniem pojedynczych milibarów. ³He poddawany jest działaniu pola elektromagnetycznego by wytworzyć w nim plazmę (stan gazu, w którym występują zjonizowane atomy i odłączone od nich elektrony). Pozwala to obsadzić pierwszy wzbudzony stan elektronowy, z którego możliwe są przejścia optyczne do stanów o jeszcze wyższej energii. Kołowo spolaryzowane światło laserowe o dużej mocy powoduje przejście atomów do wybranego stanu, z którego następuje spontaniczna emisja fotonu. Cały proces odbywa się w polu magnetycznym, by pompowanie optyczne zachodziło tylko pomiędzy wybranymi podpoziomami, które bez pola magnetycznego zlewają się w jeden wspólny poziom energetyczny (rozszczepienie zdegenerowanych wcześniej podpoziomów energetycznych, efekt Zeemana). W wyniku działania przedstawionych procesów, znacząca część atomów ³He przechodzi do stanu, w którym spin elektronu ustawiony jest w pożądany przez nas sposób. Dzięki oddziaływaniu nadsubtelnemu pomiędzy elektronami i jądrem atomowym, również spiny jądrowe porządkują się w polu magnetycznym. Już na tym etapie wytworzona zostaje polaryzacja jądrowa. Niestety, spolaryzowane atomy wciąż znajdują się w stanie wzbudzonym! Stan ten, nazywany metastabilnym, wykazuje bardzo długi czas życia. Należy przeprowadzić atomy do stanu podstawowego, jednak bez utraty polaryzacji jądrowej. Dokonuje się to w zderzeniach z wymianą metastabilności. Zderzenia te zachodzą pomiędzy spolaryzowanym atomem helu, a atomem helu w stanie podstawowym. Pierwszy z nich traci wzbudzenie do stanu metastabilnego ale zachowuje orientację spinu jądra; natomiast drugi partner zderzenia przechodzi ze stanu podstawowego do stanu metastabilnego. Zderzenia z wymianą metastabilności nie tylko umożliwiają bezpieczny powrót spolaryzowanych atomów 3He do stanu podstawowego ale także zwiększają efektywność pompowania optycznego poprzez dodatkowe obsadzanie stanu metastabilnego. Pozwala to na ograniczenie intensywności wyładowania plazmowego, które w wyniku zderzeń jonów z atomami niszczy część polaryzacji. Po osiągnięciu wymaganego stopnia polaryzacji jądrowej można wyłączyć pole radiowe indukujące plazmę oraz laser. Słabe pole magnetyczne nadal jest potrzebne, by utrzymać kierunek polaryzacji dla atomów gazu znajdujących się w ciągłym ruchu. Na początku opisu procesu MEOP znalazła się informacja o bardzo niskim ciśnieniu gazu w komórce. Jest to ciśnienie około tysiąc razy niższe niż atmosferyczne. Warunek ten jest konieczny, by ograniczyć liczbę zderzeń pomiędzy atomami i zapewnić wysoką efektywność metody MEOP.

Do badania płuc w rezonansie magnetycznym potrzebny jest jednak gaz pod ciśnieniem równym atmosferycznemu. Wymagane jest sprężenie hiperspolaryzowanego ³He. I właśnie ten proces jest najtrudniejszy w całej operacji przygotowywania porcji gazu do badania medycznego. Każdy etap opisany wcześniej wymaga użycia starannie wyselekcjonowanych materiałów i precyzyjnie działającej aparatury. Trudne jest przygotowanie szklanej komórki z bardzo czystym chemicznie gazem i wytworzenie w tym gazie plazmy, niezwykle precyzyjne dostrojenie wąskiego spektralnie lasera dużej mocy pracującego w zakresie podczerwieni (wiązka światła nie jest widoczna okiem!) i przygotowanie kołowej polaryzacji światła również jest dużym wyzwaniem. Jednak zdecydowanie najbardziej krytycznym dla powodzenia całej operacji jest etap zwiększenia ciśnienia spolaryzowanego jądrowo 3He. Wykluczone jest użycie standardowych pomp, nawet tych przystosowanych do pompowania helu (bardzo mały atom, łatwo przenikający wszelkie nieszczelności układu). Wymagane jest użycie materiałów i urządzeń całkowicie niemagnetycznych. Uniwersytet w Moguncji, gdzie proces MEOP przeprowadzany był na bardzo dużą skalę (tysiące litrów gazu) wykorzystywał tłokową pompę wykonaną z tytanu. W innych ośrodkach stosowano specjalne konstrukcje pomp perystaltycznych, w których elastyczna rurka przepychała małe porcje gazu ściskana rolkami obracającego się rotora. Problemy z kompresją 3He można częściowo ominąć projektując polaryzator MEOP pracujący w warunkach niestandardowych – w silnym polu magnetycznym (można wykorzystać magnes skanera MRI) i pod ciśnieniem ³He zwiększonym do kilkudziesięciu a nawet kilkuset milibarów.

Ostatnim etapem przed wykonaniem klinicznego obrazowania płuc jest podanie ³He pacjentowi. O ile hiperspolaryzowany 3He można długo przechowywać, to od momentu rozpoczęcia wdechu mieszaniny helu z azotem należy przeprowadzić bardzo precyzyjną sekwencję czynności, zakończoną wyzwoleniem skanera MRI. Obrazy uzyskiwane z płuc wypełnionych hiperspolaryzowanym gazem pozwalają uzyskać wiele użytecznych diagnostycznie informacji o morfologii płuc, dynamice ich napełniania i obszarach, do których gaz nie dociera. Z poszerzenia linii sygnału rezonansu magnetycznego można wyznaczyć obszary płuc, w których droga swobodna atomów helu jest większa niż w innych obszarach, co świadczy o popękanych ściankach pomiędzy pęcherzykami płucnymi. Mapowanie specyficznego współczynnika dyfuzji helu pozwala wyznaczyć rejony płuc najbardziej zagrożone przez COPD czy rozedmę.

Pod koniec pierwszej dekady XXI wieku wszystkie etapy przygotowywania helu i obrazowania medycznego z jego udziałem były już bardzo dobrze opracowane. Należy w tym momencie wspomnieć, że ³He występuje naturalnie na Ziemi w bardzo niewielkiej ilości i jego pozyskiwanie np. z gazu ziemnego jest mało efektywne. Izotop ten wytwarzany jest sztucznie i od jego dostępności na rynku uzależnione jest prowadzenie badań m.in. w procesie wydobywania ropy naftowej, w medycynie i w fizyce niskich temperatur. Możliwość zakupu ³He została gwałtownie ograniczona od roku 2008. Stało się tak z powodu wykorzystania prawie całej światowej produkcji tego izotopu do budowy bramek bezpieczeństwa instalowanych na lotniskach oraz w portach morskich. Zadaniem tych detektorów jest wykrywanie neutronów emitowanych z przemycanych materiałów promieniotwórczych. Jedynym sposobem na kontynuowanie badań z dziedziny obrazowania gazami hiperspolaryzowanymi było zaangażowanie do tego celu ¹²⁹Xe.

Nadchodząca rewolucja?

Izotop o liczbie masowej 129 stanowi ponad 26 proc. naturalnie występującego ksenonu. Metoda MEOP nie nadaje się do hiperpolaryzowania ¹²⁹Xe, dlatego w przypadku tego gazu wykorzystuje się pompowanie optyczne i zderzenia z wymianą spinu (Spin Exchange Optical Pumping, SEOP). Pompowanie optyczne przeprowadza się w parach metalu alkalicznego, najczęściej rubidu. Atom metalu alkalicznego ma jeden elektron walencyjny. Struktura przejść optycznych jest dzięki temu mało skomplikowana, a w procesie pompowania optycznego łatwo jest wytworzyć w parach metalu polaryzację spinową w wybranym stanie energetycznym elektronu. Proces przebiega oczywiście w obecności pola magnetycznego, a lasery diodowe dużej mocy, których światło jest dostrojone do wybranego przejścia, są dostępne komercyjnie. Podgrzaną komórkę, by zwiększyć prężność par metalu alkalicznego, wypełnia się mieszaniną azotu, 4He i kilkoma procentami ksenonu (lub wyłącznie czystym ³He w przypadku polaryzowania metodą SEOP tego gazu). Azot i hel pełnią rolę gazów buforowych, zwiększających efektywność procesu SEOP. Azot uczestniczy też w procesach zderzeń, podczas których powstają cząsteczki z wiązaniami van der Waalsa pomiędzy atomami metalu alkalicznego i ksenonu. Cząsteczki takie istnieją wystarczająco długo, by przed ich rozpadem w wyniku kolejnego zderzenia z azotem, miał miejsce proces nazywany kontaktem Fermiego. Podczas kontaktu Fermiego przekazywana jest orientacja spinowa z elektronu metalu do jądra ksenonu. Po zakończeniu procesu SEOP należy oddzielić ksenon od pozostałych gazów, co wykonuje się przepuszczając mieszaninę przez kriogeniczną pułapkę o temperaturze ciekłego azotu. Silny magnes zapewnia utrzymanie polaryzacji w zamrożonym ksenonie. Po akumulacji odpowiedniej ilości zmrożonego ksenonu, szybko ogrzewa się go doprowadzając do postaci gazowej. Po zmieszaniu z azotem hiperspolaryzowany ksenon jest gotowy do wykonania obrazowania rezonansem magnetycznym. Cechą charakterystyczną ksenonu jest możliwość przenikania do krwi bezpośrednio z wdychanego gazu. Otwiera to nowe możliwości diagnostyczne z wykorzystaniem ksenonu obecnego we krwi, w tym przyłączonego do hemoglobiny. Bardzo duże przesunięcie chemiczne sygnału rezonansu magnetycznego pozwala odróżnić ksenon obecny w czerwonych krwinkach od ksenonu w postaci gazowej. Hiperspolaryzowany ksenon, który przeniknął do krwi po inhalacji, dociera do różnych organów ciała, w tym także do mózgu, umożliwiając jego dokładną diagnostykę.

Badania związane z hyperpolaryzacją gazów szlachetnych i ich zastosowaniem w medycynie są prowadzone w Krakowie już od ponad dwudziestu lat. Grupa fizyków kierowana przez profesora Tomasza Dohnalika zajmuje się tą tematyką w Instytucie Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego (Uniwersytet Jagielloński), a badania z wykorzystaniem klinicznego tomografu MRI wykonywane są w Szpitalu Specjalistycznym im. Jana Pawła II w Krakowie. Autor pragnie wyrazić wdzięczność wszystkim współpracownikom za wspólnie przeprowadzone eksperymenty z hiperspolaryzowanymi gazami szlachetnymi.

Nauka na żywo II: wielkie debaty – zadanie finansowane w ramach umowy 761/P-DUN/2019 ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę.

Wykład dr. Tadeusza Pałasza: