unque resulte fácil visualizar el agua y la grasa en un espectro de tejidos, no es muy interesante desde un punto de vista médico, y de hecho, las señales de grasa y agua son tan grandes que pueden dificultar la visualización de los metabolitos de interés. Por lo tanto, la mayoría de los primeros estudios de ERM tendían a concentrarse en otros núcleos, y el más popular era el fósforo (³¹P).
Bajo un campo magnético dado, la frecuencia de resonancia del ³¹P será de aproximadamente 0,405 veces la de 1H, por lo que a 2,35 Tesla, ¹H tiene una frecuencia de resonancia de 100 MHz y ³¹P tiene una frecuencia de resonancia de 40.5 MHz. Una bobina transmisora o receptora que trabaje con ³¹P deberá sintonizarse a un rango de frecuencias muy diferente al de una bobina transmisora o receptora diseñada para ¹H, por lo que no existe la posibilidad de detectar el núcleo equivocado.
El ³¹P presenta una gran variedad de desplazamientos químicos debido a la gran variedad de enlaces químicos que pueden formarse con el fósforo. Sin embargo, los compuestos químicos que son de interés en los estudios biológicos se encuentran en un rango mucho menor de desplazamiento químico (alrededor de 25 ppm).
Los metabolitos que se pueden visualizar comúnmente en los espectros in vivo son la fosfocreatina (PCr, importante en el metabolismo energético), el fosfato inorgánico (Pi), los fosfomonoésteres (PME, incluyendo fosfatos de azúcar como la glucosa-6-fosfato), los fosfodiésteres (PDE, que pueden incluir precursores de lípidos como fosforilcolina y fosforiletanolamina, y también lípidos) y el adenosín trisfosfato (ATP, que tiene un papel central en el metabolismo energético).
Excluyendo el ATP, todos estos metabolitos contienen únicamente un átomo de fósforo por cada molécula, por lo que únicamente existe un pico de resonancia por molécula. Esto simplifica bastante la interpretación del espectro, pero puede ser también un inconveniente si las células tienen un número determinado de moléculas de fósforo químicamente parecidas. Por lo tanto, es muy difícil diferenciar entre glucosa-6-fosfato, fructosa-6-fosfato y otras hexosa-6-fosfatos ya que todos los picos tienden a solaparse. Este es un problema común en espectroscopia; la habilidad para diferenciar entre picos se conoce como resolución, y si dos señales tienen una diferencia suficiente grande en desplazamiento químico como para poder visualizarse en dos picos distintos, entonces se dice que están resueltas (Figura 05-03).
Figura 05-03:
(a) Diagrama con las frecuencias de resonancia de varios núcleos en relación al ¹H.
(b) Ampliación de la región de frecuencias donde los núcleos de fósforo producen señales.
(c) Mayor ampliación de la región de frecuencias donde moléculas de interés biológico que contienen fósforo producen señales.
El ATP es diferente a las otras moléculas mencionadas hasta ahora, ya que posee 3 átomos de fósforo en cada molécula. El α-fosfato tiene un grupo de adenosina en un lado y un grupo de fosfato en el otro; el β-fosfato tiene un grupo de fosfato en cada lado; y el γ-fosfato tiene un grupo de fosfato en un lado. Por lo tanto, los 3 átomos de fósforo son químicamente distintos y podemos visualizar 3 picos diferentes en el espectro ³¹P del ATP.
La Figura 05-04 muestra el espectro ³¹P de un músculo de la pierna y de un cerebro, ambos adquiridos en un humano. Ambos espectros parecen muy diferentes, aunque la mayoría de las señales están presentes en ambos espectros. Una de las diferencias es que los anchos de pico son relativamente más estrechos en el espectro de la pierna, mientras que son relativamente más anchos en el espectro del cerebro. Esto se debe a los diferentes entornos físicos experimentados por las moléculas en el cerebro y en el tejido muscular.
Figure 05-04:
(a) Espectro de ³¹P de un cerebro humano;
(b) Espectro de ³¹P de un músculo de la pierna.
Las diferentes concentraciones de metabolitos ³¹P en los dos tejidos afectan al área relativa de los picos, y los diferentes entornos físicos de los metabolitos en los tejidos afectan el ancho de los picos.
Sin embargo, la concentración de un metabolito detectado en un experimento de RM es proporcional al área bajo el pico y no sólo a la altura de éste, por lo que un pico elevado y estrecho no tiene por qué representar una concentración más alta que un pico de una altura menor y con mayor anchura. Otra de las diferencias en la figura es la intensidad relativa de las señales de los metabolitos de fósforo. El espectro de músculo está dominado por el pico de PCr y los picos de ATP, mientras que el espectro de cerebro está dominado por un pico ancho de PDE, y también por señales bastante intensas de PCr y ATP.
En la revisión de Matson's y Weiner's se puede encontrar una buena selección de artículos sobre espectroscopia de ³¹P [⇒ Matson 1999], mientras que en el libro de Rubaek Danielsen y Ross se puede encontrar información sobre las aplicaciones [⇒ Rubaek 1999].
Los espectros de la Figura 05-04 representan 'capturas' de la situación metabólica de un tejido, pero la ERM puede utilizarse también para seguir cambios metabólicos en periodos de tiempo tan cortos como unos pocos minutos o tan largos como varias semanas e incluso meses. La figura 05-05 contiene una serie de espectros de ³¹P de un músculo de pantorrilla humano adquiridos cada 90 segundos [⇒ Timm 1996].
Figure 05-05:
Una serie temporal de espectros de 31P de un músculo de la pantorrilla humana que muestra cómo el ejercicio y la recuperación afectan a los metabolitos del fósforo. Cada 90 segundos se adquirió un nuevo espectro.
Verde = reposo; rojo = inicio del ejercicio; magenta = inicio de la recuperación.
Durante los primeros 3 minutos, el músculo estaba en reposo, a partir de este periodo se ejercitó durante 7,5 minutos, tiempo durante el cual se prosiguió con la adquisición de datos. Finalmente, se adquirieron espectros durante 12 minutos más mientras el músculo se recuperaba. Los espectros se representaron para destacar los cambios en PCr y Pi. Estos espectros demuestran de una manera elegante como la PCr se utiliza en el tejido muscular durante el ejercicio para mantener el ATP en niveles constantes; el pico de PCr disminuyó, pero no hubo cambios en los picos de ATP. El elevado nivel de Pi que aparece como consecuencia de la hidrólisis de PCr a Cr y Pi durante el ejercicio puede también apreciarse en los espectros. Con tan buena resolución temporal, es posible medir la tasa de variación de los metabolitos así como la magnitud de esos cambios.
La espectroscopia puede también utilizarse para seguir cambios metabólicos en periodos de días o semanas, por ejemplo, para monitorear la respuesta de un tumor a la terapia [⇒ Southon 1993].
Las ventajas de la ERM de ³¹P son que los metabolitos que contienen fósforo juegan un papel muy importante en el metabolismo energético, y ocurren en razonablemente altas concentraciones, especialmente en el tejido muscular, pero también en cerebro e hígado, por ejemplo.
Una desventaja de la ERM de ³¹P es que proporciona una diferenciación bastante deficiente de los metabolitos in vivo. Existen aproximadamente del orden de 10 metabolitos diferentes contribuyendo al pico de PME de un espectro in vivo, pero todos ellos se solapan unos a otros, por lo que los metabolitos individuales no pueden distinguirse.
Otro de los problemas con ³¹P es que más allá de los principales metabolitos energéticos, las señales son o bien demasiado anchas para detectarse, como por ejemplo los fosforilados intermediarios de la glicólisis, o bien no existen metabolitos con fósforo a detectar, como por ejemplo en los intermediarios del ciclo de Krebs, aminoácidos, lípidos o azúcares.
Esto indica que tienen que utilizarse otros núcleos para estudiar estos metabolitos que no contienen fósforo.
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Capítulo 5 — Página 2 |
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