Enzyme-activated MR contrast agents
મોલેક્યુલર ઇમેજિંગને વ્યાપક રીતે મેક્રો-અથવા માઇક્રોસ્કોપિક સ્તર પર મોલેક્યુલર અને સેલ્યુલર પ્રક્રિયાઓના વિઝ્યુલાઇઝેશન તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. તેના ઉચ્ચ અવકાશી રીઝોલ્યુશન અને આંતરિક અવયવોને બિન-આક્રમક રીતે વિઝ્યુઅલાઈઝ કરવાની ક્ષમતાને કારણે, મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ (એમ. આર.) ઇમેજિંગને વ્યાપકપણે ઇન વિવો મોલેક્યુલર ઇમેજિંગ માટે એક આદર્શ મંચ માનવામાં આવે છે. આ કારણોસર, એમ. આર. કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટો કે જે મોલેક્યુલર ઇવેન્ટ્સને શોધી શકે છે તે સંશોધનનું સક્રિય ક્ષેત્ર છે. સંયોજનોના એક જૂથ કે જેણે ચોક્કસ વચન દર્શાવ્યું છે તે એન્ઝાઇમ-સક્રિય એમ. આર. કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટ છે. ઉત્સેચક-સક્રિય એમ. આર. વિપરીત એજન્ટો એવા સંયોજનો છે જે ચોક્કસ ઉત્સેચકના સક્રિય સ્વરૂપની હાજરીમાં છબીની તીવ્રતામાં શોધી શકાય તેવા ફેરફારનું કારણ બને છે. આ તેમને એન્ઝાઇમ પ્રવૃત્તિના ઇન વિવો પરીક્ષણો માટે ઉપયોગી બનાવે છે. તેઓ વર્તમાન, ક્લિનિકલ એમ. આર. કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટોથી અલગ પડે છે, જે પરમાણુ પ્રક્રિયાઓને દૃશ્યમાન કરવાની તેમની ક્ષમતા દ્વારા માત્ર શારીરિક માહિતી આપે છે, જેમ કે જલીય ગેડોલીનિયમ સંયોજનો. ઉત્સેચક-સક્રિય વિપરીત એજન્ટો મોલેક્યુલર ઇમેજિંગ માટે શક્તિશાળી સાધનો છે. આજની તારીખે, β-ગેલેક્ટોસિડેઝ-સક્રિય કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટોએ સાહિત્યમાં સૌથી વધુ ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે, જો કે ત્યાં કોઈ સૈદ્ધાંતિક કારણ નથી કે અન્ય ઉત્સેચકોનો ઉપયોગ કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટોને સક્રિય કરવા માટે કરી શકાતો નથી. ઉપરાંત, એન્ઝાઇમ સક્રિયકરણ સિવાયની અન્ય પદ્ધતિઓ, જેમ કે Ca2 +-આશ્રિત સક્રિયકરણનો સૈદ્ધાંતિક રીતે ઉપયોગ કરી શકાય છે. સામાન્ય રીતે, એન્ઝાઇમ-સક્રિય એજન્ટોમાં પેરામેગ્નેટિક મેટલ આયન હોય છે જે નજીકના પાણીના અણુઓ માટે T1 અથવા T2 છૂટછાટના સમયને અસર કરી શકે છે. જો કે, ધાતુના આયનો જ્યાં સુધી ઉત્સેચક-ઉત્પ્રેરક પ્રતિક્રિયા ન થાય ત્યાં સુધી પાણી સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરવામાં અસમર્થ હોય છે. સ્ટેરિક અવરોધ અથવા અન્ય આયનો સાથે સંકલન એ ઉત્સેચકીય પ્રતિક્રિયા પહેલા પાણીને પેરામેગ્નેટિક કેન્દ્ર સુધી પહોંચતા અટકાવે છે. β-ગેલેક્ટોસિડેઝ-સક્રિય કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટોનું માળખું બે અલગ β-ગેલેક્ટોસિડેઝ-સક્રિય કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટ નોંધાયા છે. બંનેમાં જી. ડી. (III) આયન હોય છે જે ટેટ્રાઝામાક્રોસાયકલ સાથે જટિલ હોય છે. એન-10 સ્થિતિ પર, બે-કાર્બન સાંકળ ગેડોલીનિયમ-ટેર્ટાઝામાક્રોસાયકલ સંકુલને ગેલેક્ટોઝના અણુ સાથે જોડે છે. ગેલેક્ટોઝ તેની સી-1 સ્થિતિ પર β-ગ્લાયકોસિડિક બોન્ડ દ્વારા સંકુલ સાથે જોડાયેલ છે. વિપરીત એજન્ટના બે સ્વરૂપો માત્ર એક જ મિથાઈલ જૂથના સ્થાનમાં અલગ પડે છે. પ્રથમ વર્ગ, જેને α-શ્રેણી તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, તેમાં કાર્બન સાથે બંધાયેલ મિથાઈલ જૂથ છે જે α એ ટેટ્રાઝામાક્રોસાયકલ સાથે જોડાયેલું છે. અન્ય વર્ગ, જેને β-શ્રેણી કહેવામાં આવે છે, તેમાં ટેટ્રાઝામાક્રોસાયકલના સંબંધમાં β કાર્બન સાથે જોડાયેલ મિથાઈલ હોય છે. આ મિથાઈલ જૂથની સ્થિતિ એજન્ટની રચના માટે નોંધપાત્ર છે, અને આમ તે પદ્ધતિ નક્કી કરે છે કે જેના દ્વારા બિન-સક્રિય સંયોજન Gd (III) આયનને પાણી સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરતા રક્ષણ આપે છે. α-શ્રેણી એક એવી રચના અપનાવે છે જેમાં ખાંડ સીધા જ પેરામેગ્નેટિક કેન્દ્રની ઉપર રહે છે, આમ પાણીને ગેડોલીનિયમ સુધી પહોંચતા અટકાવે છે. બીજી બાજુ, β-શ્રેણી કાર્બોનેટ આયન સાથે સંકલન કરીને ગેડોલીનિયમમાંથી પાણીને અવરોધે છે. એવા કોઈ પુરાવા નથી કે મિથાઈલ ધરાવતા કાર્બનની સ્ટીરિયોકેમિકલ દિશા એન્ઝાઇમ-ઉત્પ્રેરક ક્લેવેજ અથવા ગેડોલીનિયમ આયનમાંથી પાણીને બાકાત રાખવાની ખાંડની ક્ષમતાને અસર કરે છે. અભ્યાસોએ દર્શાવ્યું છે કે α-શ્રેણી ક્લેવેજ પહેલાં પેરામેગ્નેટિક કેન્દ્રમાંથી પાણીને અવરોધિત કરવામાં વધુ અસરકારક છે. કાર્બોનેટ આયન સાથે સંકલન કરવાની જરૂરિયાત અને β-શ્રેણીમાં અંતર્ગત સિગ્નલ દમનનું નીચું સ્તર α-શ્રેણીને સંશોધન અને ક્લિનિકલ મેડિસિનમાં ઉપયોગ માટે વધુ સારી ઉમેદવાર બનાવે છે. સક્રિયકરણની પદ્ધતિ પેશીઓમાં જ્યાં સક્રિય β-ગેલેક્ટોસિડેઝ હાજર હોય, ત્યાં ખાંડને બાકીના સંયોજનમાંથી અલગ કરવામાં આવશે. આ પાણીને પેરામેગ્નેટિક કેન્દ્ર સુધી પહોંચવાની મંજૂરી આપે છે, અને આસપાસના પાણીના અણુઓના ચુંબકીય છૂટછાટના ગુણધર્મોને બદલવાનું કારણ બને છે. છૂટછાટના સમયમાં આ ફેરફાર, બદલામાં, એમ. આર. સ્કેનમાંથી મેળવેલી પેશીઓની છબીઓની સંકેતની તીવ્રતામાં દેખીતી રીતે ફેરફાર કરશે. આ પદ્ધતિ અન્ય તમામ β-ગેલેક્ટોસિડેઝ-ઉત્પ્રેરિત ક્લેવેજની જેમ જ આગળ વધે છે. ઉત્સેચકની અંદર ગ્લુટામિક એસિડ બાજુની સાંકળ પરનું કાર્બોક્સિલ જૂથ એસિડ ઉત્પ્રેરક તરીકે કામ કરે છે, જે ખાંડમાં સી-1 સ્થિતિ પર ગ્લાયકોસિડિક બોન્ડના વિભાજનને ઝડપી બનાવે છે. આ વિચ્છેદ પેરામેગ્નેટિક કેન્દ્રમાં પાણીની પહોંચ આપે છે. ઉત્સેચક-ઉત્પ્રેરિત પ્રતિક્રિયાનું પરિણામ મુક્ત ગેલેક્ટોઝ પરમાણુ અને સક્રિય વિપરીત એજન્ટ છે. ઉપયોગો સંશોધન અને તબીબી દવા બંનેમાં આ તકનીકના સ્પષ્ટ સંભવિત ઉપયોગો છે. મૂળભૂત સંશોધન સંશોધનના સંદર્ભમાં, β-ગેલેક્ટોસિડેઝ-સક્રિય એમ. આર. કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટોની α-શ્રેણીનો ઉપયોગ ઝેનોપસ લેવિસ ગર્ભમાં કોષોના વિકાસ અને જનીન અભિવ્યક્તિની કલ્પના કરવા માટે કરવામાં આવ્યો છે. સંશોધકોએ એજન્ટને બે-કોષ તબક્કાના ગર્ભના બંને કોષોમાં ઇન્જેક્ટ કર્યો, અને પછી એન્ઝાઇમ માટે એમઆરએનએ સાથે માત્ર એક કોષને ઇન્જેક્ટ કર્યો. વૃદ્ધિના સમયગાળા પછી, તેઓએ ગર્ભની એમ. આર. છબીઓ મેળવી જે સ્પષ્ટ રીતે માત્ર મૂળ કોષમાંથી મેળવેલા કોષોમાં સંકેત વૃદ્ધિ દર્શાવે છે જે એન્ઝાઇમ અને કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટ બંને સાથે ઇન્જેક્ટ કરવામાં આવ્યા હતા. આ અભ્યાસ મૂળભૂત સંશોધન માટે વિવો મોલેક્યુલર ઇમેજિંગ પદ્ધતિઓમાં આખા શરીરનું મૂલ્ય દર્શાવે છે. આવી તકનીકો વૈજ્ઞાનિકોને સમગ્ર જીવતંત્રમાં જનીન પ્રવૃત્તિ અને ઉત્સેચક કાર્ય માટે પરીક્ષણ કરવાની મંજૂરી આપે છે. તેનાથી વિપરીત, ઘણા પ્રવર્તમાન પરીક્ષણો (જેમ કે પેરાફિન મીણ પર કોષોનું ફિક્સેશન અને ત્યારબાદ ઇમ્યુનોસ્ટેનિંગ) એક સમયે માત્ર થોડા કોષોના વિશ્લેષણની મંજૂરી આપે છે. આ પદ્ધતિઓ કોષોને મારી નાખે છે, આમ સમય-શ્રેણીનો અભ્યાસ મુશ્કેલ બનાવે છે. તેમને કોષો મેળવતા પહેલા સંશોધકે રસ ધરાવતી પેશીઓ ઓળખવાની પણ જરૂર પડે છે. આખા શરીરની મોલેક્યુલર ઇમેજિંગ પદ્ધતિઓનો ઉદય વૈજ્ઞાનિકોને એ જોવાની મંજૂરી આપી શકે છે કે જીવતંત્રમાં કોષોને નુકસાન પહોંચાડ્યા વિના એન્ઝાઇમ ક્યાં સક્રિય છે; જનીન અભિવ્યક્તિ અથવા એન્ઝાઇમ પ્રવૃત્તિમાં ફેરફારો પર દેખરેખ રાખવા માટે ઇમેજિંગને બહુવિધ સમય બિંદુઓ પર પુનરાવર્તિત કરી શકાય છે. સમાન તકનીકોએ કેન્સર અને રક્તવાહિની રોગનો અભ્યાસ કરતા સંશોધકો તરફથી નોંધપાત્ર રસ આકર્ષિત કર્યો છે. તબીબી દવા ચોક્કસ સમયે ઉત્સેચકનું સક્રિય સ્વરૂપ ધરાવતી પેશીઓને શોધવાની ક્ષમતા દવામાં સ્પષ્ટ મૂલ્ય ધરાવે છે. ચોક્કસ વિપરીત એજન્ટો કે જે માત્ર સક્રિય ઉત્સેચકોની હાજરીમાં વૃદ્ધિ પ્રદાન કરે છે તે ડોકટરોને ફ્રુક્ટોઝ બિસ્ફોસ્ફેટેઝની ઉણપ જેવા વિવિધ પ્રકારના ઉત્સેચકીય રોગો માટે નિર્ણાયક અને બિન-આક્રમક રીતે પરીક્ષણ કરવાની મંજૂરી આપી શકે છે. જો કે, આવા નિદાન સાધનો માટે રસના ઉત્સેચક માટે વિશિષ્ટ વિપરીત એજન્ટોના વિકાસની જરૂર પડશે, અને એજન્ટોને કોષો સુધી પહોંચાડવા માટેની પદ્ધતિઓના વિકાસની જરૂર પડશે (નીચે "મર્યાદાઓ" જુઓ). મર્યાદાઓ એકવાર કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટ ખાંડ જૂથના વિભાજન દ્વારા સક્રિય થઈ જાય, તો સંકેત વધારવાની અસરો માત્ર ત્યારે જ ઘટશે જો ગેડોલીનિયમ તેને ધરાવતા ડબ્બામાંથી ધોવાઇ જાય, અથવા જો ધાતુ જૂથમાં પાણીની પહોંચ ફરીથી અવરોધિત થાય. તેથી, એમ. આર. સંકેતની કાયમી વૃદ્ધિને રોકવા માટે, કોષો પાસે કાં તો ગેડોલીનિયમ જૂથને લોહીના પ્રવાહમાં નિકાસ કરવાની રીત હોવી જોઈએ, અથવા તેઓ વિભાજીત ખાંડ જૂથને બદલવામાં સક્ષમ હોવા જોઈએ. સાહિત્યમાં એવી કોઈ માહિતી નથી કે જે સૂચવે છે કે વિવોમાં કોઈપણ અભિગમ શક્ય છે, જે સૂચવે છે કે આ પદ્ધતિઓ કાયમી સિગ્નલ એમ્પ્લીફિકેશનમાં પરિણમી શકે છે. અન્ય પડકાર એ છે કે કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટોને લક્ષિત કોષો સુધી પહોંચાડવાનો છે. એન્ઝાઇમ-સક્રિય એમ. આર. કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટોના વિવો ઉપયોગનું વર્ણન કરતા એકમાત્ર પેપરમાં, એજન્ટને માઇક્રોપીપેટ દ્વારા ગર્ભ કોષોમાં પહોંચાડવામાં આવ્યો હતો. જો કે, પેપરના લેખકો સ્વીકારે છે કે ઘણા સંશોધન પ્રોજેક્ટ્સ માટે આ એક શક્ય અભિગમ નથી, અને તે ક્લિનિકલ ઉપયોગ માટે સ્પષ્ટ અવરોધ રજૂ કરે છે. કોન્ટ્રાસ્ટ એજન્ટોને લોડ કરવા માટે કોષની મૂળ આયાત મશીનરીનો ઉપયોગ કરવા માટે સક્રિય સંશોધન છે. સંદર્ભો ઇમેજિંગ