zum Directory-modus

Anwendungen der NMR-Spektroskopie

In vivo-NMR-Spektroskopie

Bei in vivo-Experimenten werden Prozesse im lebenden Organismus untersucht, ohne dabei in den Zellstoffwechsel einzugreifen. Von besonderem Interesse ist hierbei die Aufklärung von Vorgängen im Herzen, im Gehirn, in den Muskeln und anderen Organen.

Voraussetzung für die in vivo-NMR-Spektroskopie sind einerseits Magneten mit einer entsprechend großen Öffnung (es muss u.U. ein Mensch hineinpassen), andererseits müssen Spulen eingesetzt werden, die von außen auf die zu untersuchende Stelle gebracht werden können. Es werden vorrangig Oberflächenspulen verwendet, die aus einer Drahtwindung bestehen und sowohl als Sender und Empfänger des NMR-Signals dienen.

Die Größe der Spulen bestimmt das zu beobachtende Volumen, über die Impulslänge kann die gewünschte Messtiefe variiert werden.

Das Ergebnis einer in vivo-NMR-Messung sind Spektren, die qualitativ und quantitativ ausgewertet werden können. Jedoch ist die Auflösung der einzelnen Signale meist nicht so perfekt wie bei normalen, im NMR-Röhrchen vermessenen Proben. Das liegt daran, dass es sich bei in vivo-Messungen um biologische Proben handelt, die sehr inhomogen sind und dementsprechend eine Vielzahl verschiedener Verbindungen in unterschiedlichen Konzentrationen enthalten.

Welche Kerne bieten sich nun für in vivo-Experimente an? Die sonst in der NMR stets an erster Stelle erwähnten Kerne 1H und 13C sind für in vivo-Messungen weniger geeignet. Gegen die 1H-NMR-Spektroskopie spricht Wasser als Lösungsmittel, eine große Linienbreite der Signale (da inhomogene Proben) bei einem kleinen Verschiebungsbereich sowie viele verschiedene, kompliziert aufgebaute Biomoleküle, die eine Vielzahl nicht äquivalenter Protonen besitzen, was zu vielen, sich überlagernden Signalen und letztendlich zu schwer bis gar nicht mehr auswertbaren Spektren führt. Bei der 13C-NMR-Spektroskopie ist das Hauptproblem, dass manche im Prozess wichtige Verbindungen nur in sehr kleinen Konzentrationen auftreten, was bei der Unempfindlichkeit des 13C-Kerns lange Messzeiten mit sich bringt.

Am besten ist für in vivo-NMR-Untersuchungen der 31P-Kern geeignet, da einerseits 31P ein für die NMR sehr empfindlicher Kern ist (100 % natürliche Häufigkeit, I=1/2, γ positiv) und andererseits phosphororganische Verbindungen in lebenden Organismen und insbesondere beim Energiestoffwechsel eine große Rolle spielen, wobei günstigerweise ihre Anzahl begrenzt ist. Im Vergleich zu H-Atomen ist die Anzahl der P-Atome in den phosphororganischen Verbindungen wesentlich geringer, so dass für jede Verbindung nur sehr wenige 31P-Signale zu erwarten sind (oft nur ein Signal). Dadurch sind die Spektren, selbst wenn in der Probe viele phosphorhaltige Verbindungen enthalten sind, meist noch übersichtlich und somit gut auswertbar.

31P-in vivo-NMR-Spektrum des menschlichen Unterarms:

Aufnahmebedingungen: Oberflächenspule mit einem Durchmesser von 4 cm, Messzeit: 1,5 min

Abb.1
Friebolin "Ein- und zweidimensionale NMR-Spektroskopie", WILEY-VCH, 3. Auflage, 1999, S. 358

Pi...freie Phosphat-Ionen (anorganisches Phosphat) PCr...Kreatinphosphat ATP...Adenosintriphosphat

Seite 5 von 11