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Capítulo 5

05-01
Desplazamiento químico

05-02
Espectroscopía …
de fósforo

05-03
Espectroscopía …
de otros núcleos

… de protón
… de carbono
… de flúor
… de sodio
… de potasio
05-04
Espectroscopía localizada in vivo

… por eco estimulado
… esuelta por puntos
… imaginería
05-05
Imagen de desplazamiento químico


05-03 Espectroscopía de otros núcleos

La descripción inicial de la espectroscopía se ha concentrado hasta ahora en el ³¹P, ya que es un buen núcleo para explicar los aspectos básicos de la ERM in vivo y porque, históricamente, fue el núcleo más estudiado.

Sin embargo, el interés en la ERM de ¹H ha crecido rápidamente y está en la actualidad más extendido que la ERM de ³¹P.

Otros núcleos como el 13C y 19F son también cada vez más accesibles y utilizados en equipos estándar. La Tabla 05-02 muestra algunas pro­pie­da­des importantes de los núc­leos de interés en estudios bio­ló­gi­cos.



Tabla 05-02:
Ventajas y desventajas de seleccionar distintos núcleos en espectroscopía por RM.


El número cuántico de espín, n, es una propiedad fundamental de los núcleos atómicos. Entre otras cosas, se conoce que los espines nucleares pueden ocupar 2n+1 niveles energéticos, por lo que núcleos con un espín 1/2 tienen 2 estados energéticos posibles, mientras que núcleos con un espín 3/2 tienen 4 posibles niveles energéeticos.

Los núcleos con espines mayores a 1/2 se conocen también como cua­dru­po­la­res. Una característica importante de los núc­leos cuadrupolares es que su re­la­ja­ción es sensible a los campos eléctricos fluctuantes, así como a los campos mag­né­ti­cos fluctuantes, por lo que sus tiempos T1 y T2 son mucho más cortos que en los núcleos con espín 1/2.

Dado que queremos tanta señal como sea posible, es deseable que los núcleos tengan una alta sensibilidad, aunque la abundancia natural es también im­por­tan­te. Las sensibilidades relativas de ³¹P y ¹³C difieren en un factor de 4, pero el hecho de que el ³¹P tenga una abundancia natural del 100% y el ¹³C sólo del 1.1% (alrededor del 98.9% de los núcleos de carbono son el isótopo ¹²C, que es no magnético) hace que las sensibilidades absolutas difieran alrededor de 400 unidades (Tablas 05-02 y 05-03).

Alternativamente, los núcleos de 39K son alrededor de 31 veces menos sensibles que los núcleos de ¹³C, pero dado que el 39K tiene una abundancia natural del 93% y el ¹³C del 1.1%, una muestra que contenga potasio producirá una señal más intensa que una muestra de carbono a concentración similar.



Tabla 05-03:
Propiedades importantes de los núcleos utilizados en espectroscopía in vivo por RM.


05-03-01 Espectroscopía de protón

Los estudios de ¹H (Figura 05-06) se han ido extendiendo cada vez más a medida de que las dificultades técnicas se han superado y también a la vez que el interés se ha ido centrando más en fenómenos fisiológicos con mayor presencia de metabolitos con ¹H que con compuestos fosforilados. El ¹H posee la intensa respuesta de todos los núcleos atómicos, y se encuentra en prácticamente todos los compuestos bioquímicos. Por lo tanto, es un buen núcleo para la monitorización del metabolismo [⇒ Gadian; ⇒ Matson; ⇒ Miller].


Figura 05-06:
Espectro de ¹H de un cerebro humano normal. PCr: fosfocreatina; PCho: fosfocolina; NAA: n-acetilaspartato.


Sin embargo, existen algunas limitaciones técnicas. Probablemente el principal inconveniente de la ERM de ¹H es la elevada señal de agua en los tejidos. Si asumimos un porcentaje bastante conservador de agua en los tejidos, como por ejemplo un 65%, la concentración molar de agua aproximada será de 36 M. Dado que existen 2 núcleos de ¹H en cada molécula de agua, la concentración de ¹H será de más de 70 M. Por otro lado, los metabolitos que queremos estudiar poseen una concentración máxima de 10 mM o menor, que es al menos 7000 veces inferior que la señal de agua. Por lo tanto, se necesitarán métodos especiales para reducir el tamaño de la señal de agua a un nivel comparable al de los metabolitos. El método más simple es utilizar un pulso selectivo de saturación, pero aunque éste método resulta muy efectivo in vitro, puede conllevar un calentamiento del tejido inasumible en adquisiciones in vivo.

Se pueden utilizar múltiples secuencias de pulsos, como por ejemplo las secuencias de pulsos binomiales para reducir la señal del agua. Si no se excitan los núcleos de ¹H en agua, no podrán proporcionar señal. Otro método de supresión de agua explota las características de la curva de relajación T1. Se utiliza un pulso selectivo de 180° para invertir la magnetización del agua. Al principio la magnetización será elevada y de signo negativo, pero los procesos de relajación la llevarán a su estado de equilibrio. Después de 0,69 × T1 del agua, la magnetización será aproximadamente nula. En este punto una excitación de 90° producirá una señal elevada de los metabolitos y una señal reducida del agua. Si estuviéramos utilizando una secuencia de pulsos eco de espín en combinación con un método de selección de volumen parcial, podría adecuarse para que el eco se formara en el instante apropiado después del pulso selectivo de inversión para producir una mínima señal del agua.

Otro de los problemas de la ERM de ¹H es la estrecha dispersión de los picos del espectro. La mayoría de picos se encuentran en un ancho de banda relativamente estrecho, con lo que existe gran cantidad de solapamiento. Esta limitación puede compensarse si se trabaja a campos magnéticos más elevados, pero aunque existen los sistemas de ultra-alto campo magnético para cuerpo completo, la mayoría de adquisiciones de ERM se realizan en equipos de 1,5 y 3 Teslas, en los que la imagen por RM impone el campo magnético necesario en lugar de la ERM.

Otro de los problemas de la ERM de ¹H es la estrecha dispersión de los picos del espectro. La mayoría de picos se encuentran en un ancho de banda relativamente estrecho, con lo que existe gran cantidad de solapamiento. Esta limitación puede compensarse si se trabaja a campos magnéticos más elevados, pero aunque existen los sistemas de ultra-alto campo magnético para cuerpo completo, la mayoría de adquisiciones de ERM se realizan en equipos de 1,5 y 3 Teslas, en los que la imagen por RM impone el campo magnético necesario en lugar de la ERM.

Las principales aplicaciones clínicas de la ERM de ¹H en el cerebro humano incluyen el estudio de la epilepsia, lesiones ocupantes de espacio, esclerosis múltiple, enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, el Parkinson, Huntington, la hipoxia y otras enfermedades metabólicas. A fine overview and review of clinical ¹H MRS in central nervous system disorders was published by Öz and numerous co-authors from different centers in 2014 [⇒ Öz].

Existen numerosas enfermedades del cuerpo humano que se han estudiado mediante ERM, especialmente enfermedades del sistema muscular.

05-03-02 Espectroscopía de carbono

Al contrario que en el ¹H y ³¹P, el isótopo del carbono magnéticamente activo, ¹³C, no es la forma más abundante del núcleo. El ¹³C puede encontrarse en prácticamente todos los compuestos bioquímicos y las señales por tanto presentan una gran dispersión, es decir, están distribuidas en un gran ancho de banda, por lo que el número de solapamientos entre picos es reducido. El inconveniente más importante del ¹³C es la baja intensidad de la señal y los problemas de acoplamiento ¹³C-¹H.

En un espectro de ¹³C acoplado a ¹H, la mayoría de picos se encontrarán divididos en dos o más picos de menor tamaño, lo que complica el espectro y reduce la relación señal-a-ruido. El efecto de acoplamiento puede también eliminarse mediante la utilización de técnicas de desacoplamiento. La solución más simple es la irradiación directa a la frecuencia de resonancia del ¹H, aunque in vivo puede conllevar excesivo calentamiento de los tejidos.

Existen varios tipos de pulsos y técnicas que son tan efectivos como la irradiación directa pero que utilizan una fracción de la potencia. La necesidad de desacoplar en la ERM de ¹³C se traduce en que el equipo debe poder operar 2 canales de manera simultánea, lo que incrementa la complejidad y también el coste.

Una ventaja de la ERM de ¹³C es que podemos hacer estudios de marcaje. Mediante la administración de sustancias marcadas con ¹³C a un animal o paciente, se pueden seguir las señales y analizar la metabolización de la sustancia en el cuerpo. Dado que cada posición del carbono en una molécula producirá una señal característica, el experimento del marcaje puede utilizare para seguir no sólo qué moléculas se detienen con el marcaje sino también la posición exacta en la que se han detenido. Esta información es de gran utilidad en el análisis de qué caminos bioquímicos se utilizaron en el proceso de conversión de una molécula en otra.

Uno de los principales inconvenientes del marcado con ¹³C es su elevado coste económico.

Los estudios de marcaje con ¹H y ³¹P no son posibles ya que estos átomos ya son abundantes al 100%. La ERM de ¹³C puede detectar señales de azúcares, lípidos y glicógeno en el hígado y músculo. Puede además proporcionar información sobre el balance de carbono en el metabolismo energético, que es complementaria a la información que se puede obtener por ERM de ³¹P sobre el metabolismo energético [⇒ Matson; ⇒ Shulman].

Una aplicación prometedora de la espectroscopía de ¹³C es el análisis de fluidos del cuerpo humano, como la sangre y la orina. Esto puede realizarse incluso de rutina con espectrómetros experimentales de RM de muy alto campo. La espectroscopía de ¹H también puede usarse con este mismo propósito.

05-03-03 Espectroscopía de flúor

El 19F proporciona una señal de RM intensa y es abundante al 100%. Los estudios con flúor se han realizado sobre todo para analizar el metabolismo de los fármacos que contienen flúor. Dado que no existen señales naturales de flúor en el cuerpo, todas las señales de flúor deben provenir del fármaco o sus metabolitos. El inconveniente de la ERM de flúor es que a pesar de la intensa señal, seguimos necesitando concentraciones de fármaco en el orden de 1-10 mM en los tejidos, que es una concentración bastante más elevada que en la encontrada en la mayoría de estas sustancias. La frecuencia de resonancia del flúor se encuentra cercana a la del ¹H para el mismo campo magnético, y en ocasiones es posible realizar estudios de 19F en el canal de ¹H sin la necesidad de realizar grandes modificaciones [⇒ Matson; ⇒ Shulman].

05-03-04 Espectroscopía de sodio y potasio

El 23Na y 39K difieren de los otros núcleos mencionados en que no tienen número de espín 1/2. Ambos presentan un número de espín de 3/2 y son por lo tanto núcleos cuadrupolares.

Ambos son isótopos con elevada abundancia (el sodio es 100% abundante y el el potasio es 93.1% abundante).

El sodio está altamente concentrado en el entorno extracelular, mientras que el potasio se encuentra más concentrado en el medio intracelular. Ambos tienen un papel muy relevante en el balance iónico. Existe una gran diferencia entre los dos, mientras que el sodio produce una señal relativamente intensa, comparable a la del fósforo, el potasio produce una señal débil.

La sensibilidad absoluta del potasio es alrededor de 3 veces la del ¹³C, pero la señal de potasio es mucho más ancha que la del ¹³C, ya que el T2 del potasio es muy corto. Esto se debe al efecto de la relajación cuadrupolar, que reduce la relación señal-a-ruido de los picos.

El 39K tiene además una muy baja frecuencia de resonancia, lo que aumenta la complejidad técnica del experimento. Se han realizado estudios en animal con potasio en equipos experimentales de 4,7 Teslas, pero no hay constancia de que se haya estudiado en equipos de 1,5 Teslas. Aunque el sodio tiene también una señal relativamente ancha debido a los efectos cuadrupolares, la mayor intensidad de señal de este átomo permite obtener espectros de calidad razonable.

Desafortunadamente, el 23Na y 39K no tienen dispersión natural de frecuencias por desplazamiento químico. En otras palabras, todas las señales de una muestra in vivo resuenan a la misma frecuencia.

Existen algunos métodos para separar el desplazamiento químico del sodio y del potasio intracelular del extracelular utilizando reactivos (parecidos a los medios de contraste basados en la alteración del fenómeno de la relajación utilizados en imagen), pero los estudios están actualmente restringidos a células y animales [⇒ Kohler; ⇒ Matson; ⇒ Rashid].

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