Enzyme-activated MR contrast agents
आणविक इमेजिंग को मोटे तौर पर मैक्रो-या माइक्रोस्कोपिक स्तर पर आणविक और सेलुलर प्रक्रियाओं के दृश्य के रूप में परिभाषित किया गया है। अपने उच्च स्थानिक संकल्प और आंतरिक अंगों को गैर-आक्रामक रूप से देखने की क्षमता के कारण, चुंबकीय अनुनाद (एम. आर.) इमेजिंग को व्यापक रूप से इन विवो आणविक इमेजिंग के लिए एक आदर्श मंच माना जाता है। इस कारण से, एम. आर. कंट्रास्ट एजेंट जो आणविक घटनाओं का पता लगा सकते हैं, अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र हैं। यौगिकों का एक समूह जिसने विशेष उम्मीद दिखाई है, वह एंजाइम-सक्रिय एम. आर. कंट्रास्ट एजेंट है। एंजाइम-सक्रिय एम. आर. कंट्रास्ट एजेंट ऐसे यौगिक होते हैं जो एक निश्चित एंजाइम के सक्रिय रूप की उपस्थिति में छवि की तीव्रता में एक पता लगाने योग्य परिवर्तन का कारण बनते हैं। यह उन्हें एंजाइम गतिविधि के इन विवो परख के लिए उपयोगी बनाता है। वे वर्तमान, नैदानिक एम. आर. कंट्रास्ट एजेंटों से अलग हैं जो आणविक प्रक्रियाओं को दृश्यमान बनाने की अपनी क्षमता से केवल शारीरिक जानकारी देते हैं, जैसे कि जलीय गैडोलिनियम यौगिक। एंजाइम-सक्रिय कंट्रास्ट एजेंट आणविक इमेजिंग के लिए शक्तिशाली उपकरण हैं। आज तक, β-गैलेक्टोसिडेस-सक्रिय कंट्रास्ट एजेंटों ने साहित्य में सबसे अधिक ध्यान आकर्षित किया है, हालांकि कोई सैद्धांतिक कारण नहीं है कि अन्य एंजाइमों का उपयोग कंट्रास्ट एजेंटों को सक्रिय करने के लिए नहीं किया जा सकता है। इसके अलावा, एंजाइम सक्रियण के अलावा अन्य तंत्र, जैसे कि Ca2 +-निर्भर सक्रियण, का सैद्धांतिक रूप से उपयोग किया जा सकता है। सामान्य तौर पर, एंजाइम-सक्रिय एजेंटों में एक पैरामैग्नेटिक धातु आयन होता है जो आस-पास के पानी के अणुओं के लिए टी1 या टी2 विश्राम समय को प्रभावित कर सकता है। हालांकि, धातु के आयन तब तक पानी के साथ बातचीत करने में असमर्थ होते हैं जब तक कि एक एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रिया नहीं होती है। अन्य आयनों के साथ स्टेरिक बाधा या समन्वय एंजाइमी प्रतिक्रिया से पहले पानी को पैरामैग्नेटिक केंद्र तक पहुंचने से रोकता है। β-गैलेक्टोसिडेस-सक्रिय कंट्रास्ट एजेंटों की संरचना दो अलग-अलग β-गैलेक्टोसिडेस-सक्रिय कंट्रास्ट एजेंटों की सूचना दी गई है। दोनों में एक जी. डी. (III) आयन होता है जो एक टेट्राज़ामैक्रोसाइकल के साथ जटिल होता है। एन-10 स्थिति पर, एक दो-कार्बन श्रृंखला गैडोलिनियम-टर्टाज़ामैक्रोसाइकल परिसर को गैलेक्टोज के अणु से जोड़ती है। गैलेक्टोज अपनी सी-1 स्थिति पर एक β-ग्लाइकोसिडिक बंधन द्वारा परिसर से जुड़ा हुआ है। कंट्रास्ट एजेंट के दो रूप केवल एक एकल मिथाइल समूह के स्थान में भिन्न होते हैं। प्रथम श्रेणी, जिसे α-श्रृंखला के रूप में जाना जाता है, में एक मिथाइल समूह होता है जो कार्बन से जुड़ा होता है जो α टेट्राज़ामैक्रोसाइकल से जुड़ा होता है। दूसरे वर्ग, जिसे β-श्रृंखला कहा जाता है, में टेट्राज़ामैक्रोसाइकल के सापेक्ष β कार्बन से जुड़ा एक मिथाइल होता है। इस मिथाइल समूह की स्थिति एजेंट की संरचना के लिए महत्वपूर्ण है, और इस प्रकार उस तंत्र को निर्धारित करता है जिसके द्वारा गैर-सक्रिय यौगिक जीडी (III) आयन को पानी के साथ बातचीत करने से बचाता है। α-श्रृंखला एक संरचना को अपनाती है जिसमें चीनी सीधे पैरामैग्नेटिक केंद्र के ऊपर होती है, इस प्रकार पानी को गैडोलिनियम तक पहुंचने से रोकती है। दूसरी ओर, β-श्रृंखला कार्बोनेट आयन के साथ समन्वय करके गैडोलिनियम से पानी को रोकती है। इस बात का कोई प्रमाण नहीं है कि मिथाइल-असर वाले कार्बन का स्टीरियोकेमिकल अभिविन्यास या तो एंजाइम-उत्प्रेरित दरार को प्रभावित करता है या चीनी की गैडोलिनियम आयन से पानी को बाहर करने की क्षमता को प्रभावित करता है। अध्ययनों से पता चला है कि α-श्रृंखला दरार से पहले पैरामैग्नेटिक केंद्र से पानी को अवरुद्ध करने में कहीं अधिक प्रभावी है। कार्बोनेट आयन के साथ समन्वय करने की आवश्यकता और β-श्रृंखला में निहित संकेत दमन का निचला स्तर α-श्रृंखला को अनुसंधान और नैदानिक चिकित्सा में उपयोग के लिए एक बेहतर उम्मीदवार बनाता है। सक्रियण का तंत्र एक ऊतक में जहां सक्रिय β-गैलेक्टोसिडेस मौजूद होता है, चीनी को शेष यौगिक से अलग कर दिया जाएगा। यह पानी को पैरामैग्नेटिक केंद्र तक पहुंचने की अनुमति देता है, और आसपास के पानी के अणुओं के चुंबकीय विश्राम गुणों को बदलने का कारण बनता है। विश्राम के समय में यह परिवर्तन, बदले में, एम. आर. स्कैन से प्राप्त ऊतक की छवियों की संकेत तीव्रता को स्पष्ट रूप से बदल देगा। तंत्र अन्य सभी बीटा-गैलेक्टोसिडेस-उत्प्रेरित दरारों के समान ही आगे बढ़ता है। एन्जाइम के भीतर एक ग्लूटामिक एसिड साइड चेन पर कार्बोक्सिल समूह एक एसिड उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है, जो चीनी में सी-1 स्थिति पर ग्लाइकोसिडिक बॉन्ड के दरार को तेज करता है। यह दरार पैरामैग्नेटिक केंद्र तक पानी की पहुंच प्रदान करती है। एन्जाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रिया का परिणाम एक मुक्त गैलेक्टोज अणु और एक सक्रिय कंट्रास्ट एजेंट है। उपयोग अनुसंधान और नैदानिक चिकित्सा दोनों में इस तकनीक के स्पष्ट संभावित उपयोग हैं। बुनियादी अनुसंधान एक शोध संदर्भ में, ज़ेनोपस लेविस भ्रूण में कोशिकाओं के विकास और जीन अभिव्यक्ति की कल्पना करने के लिए β-गैलेक्टोसिडेस-सक्रिय एम. आर. कंट्रास्ट एजेंटों की α-श्रृंखला का उपयोग किया गया है। शोधकर्ताओं ने एजेंट को दो-कोशिका चरण भ्रूण की दोनों कोशिकाओं में इंजेक्ट किया, और फिर एंजाइम के लिए एमआरएनए वाली कोशिकाओं में से केवल एक को इंजेक्ट किया। विकास की अवधि के बाद, उन्होंने भ्रूण की एम. आर. छवियां प्राप्त कीं जो स्पष्ट रूप से केवल मूल कोशिका से प्राप्त कोशिकाओं में संकेत वृद्धि प्रदर्शित करती थीं जिन्हें एंजाइम और कंट्रास्ट एजेंट दोनों के साथ इंजेक्ट किया गया था। यह अध्ययन बुनियादी शोध के लिए विवो आणविक इमेजिंग विधियों में पूरे शरीर के मूल्य को प्रदर्शित करता है। ऐसी तकनीकें वैज्ञानिकों को पूरे जीव में जीन गतिविधि और एंजाइम कार्य के लिए परीक्षण करने की अनुमति देती हैं। इसके विपरीत, कई मौजूदा परख (जैसे कि पैराफिन मोम पर कोशिकाओं का निर्धारण और उसके बाद प्रतिरक्षण) एक समय में केवल कुछ कोशिकाओं के विश्लेषण की अनुमति देते हैं। ये विधियाँ कोशिकाओं को मार देती हैं, इस प्रकार समय-श्रृंखला अध्ययन को कठिन बना देती हैं। उन्हें कोशिकाओं को प्राप्त करने से पहले शोधकर्ता को रुचि के ऊतक की पहचान करने की भी आवश्यकता होती है। पूरे शरीर के आणविक इमेजिंग विधियों का उदय वैज्ञानिकों को यह देखने की अनुमति दे सकता है कि किसी जीव में एक एंजाइम कोशिकाओं को नुकसान पहुँचाए बिना कहाँ सक्रिय है; जीन अभिव्यक्ति या एंजाइम गतिविधि में परिवर्तन की निगरानी के लिए इमेजिंग को कई समय बिंदुओं पर दोहराया जा सकता है। इसी तरह की तकनीकों ने कैंसर और हृदय रोग का अध्ययन करने वाले शोधकर्ताओं से काफी रुचि आकर्षित की है। नैदानिक चिकित्सा निश्चित समय पर एक एंजाइम के सक्रिय रूप वाले ऊतकों का पता लगाने की क्षमता का चिकित्सा में स्पष्ट मूल्य है। विशिष्ट कंट्रास्ट एजेंट जो केवल सक्रिय एंजाइमों की उपस्थिति में वृद्धि प्रदान करते हैं, वे डॉक्टरों को विभिन्न प्रकार के एंजाइमिक रोगों, जैसे कि फ्रुक्टोज बिसफॉस्फेट की कमी के लिए निर्णायक और गैर-आक्रामक रूप से परीक्षण करने की अनुमति दे सकते हैं। हालांकि, इस तरह के नैदानिक उपकरणों के लिए रुचि के एंजाइम के लिए विशिष्ट कंट्रास्ट एजेंटों के विकास की आवश्यकता होगी, और एजेंटों को कोशिकाओं तक पहुँचाने के तरीकों के विकास की आवश्यकता होगी (नीचे "सीमाएँ" देखें)। सीमाएँ एक बार जब कंट्रास्ट एजेंट चीनी समूह के दरार से सक्रिय हो जाता है, तो संकेत बढ़ाने का प्रभाव केवल तभी कम होगा जब गैडोलिनियम को इसमें शामिल डिब्बे से बाहर निकाल दिया जाए, या यदि धातु समूह तक पानी की पहुंच फिर से बाधित हो जाए। इसलिए, एम. आर. संकेत की स्थायी वृद्धि को रोकने के लिए, कोशिकाओं के पास या तो गैडोलीनियम समूह को रक्तप्रवाह में निर्यात करने का एक तरीका होना चाहिए, या वे कटे हुए शर्करा समूह को बदलने में सक्षम होनी चाहिए। साहित्य में कोई डेटा नहीं है जो यह दर्शाता है कि विवो में कोई भी दृष्टिकोण संभव है, यह सुझाव देते हुए कि इन विधियों के परिणामस्वरूप स्थायी संकेत प्रवर्धन हो सकता है। एक अन्य चुनौती लक्षित कोशिकाओं के लिए कंट्रास्ट एजेंटों का वितरण है। एंजाइम-सक्रिय एम. आर. कंट्रास्ट एजेंटों के विवो उपयोग का वर्णन करने वाले एकमात्र पेपर में, एजेंट को एक माइक्रोपीपेट के माध्यम से भ्रूण कोशिकाओं तक पहुँचाया गया था। हालांकि, पेपर के लेखकों ने स्वीकार किया कि यह कई शोध परियोजनाओं के लिए एक व्यवहार्य दृष्टिकोण नहीं है, और यह नैदानिक उपयोग के लिए एक स्पष्ट बाधा प्रस्तुत करता है। कंट्रास्ट एजेंटों को लोड करने के लिए कोशिका की देशी आयात मशीनरी का उपयोग करने में सक्रिय शोध है। संदर्भ इमेजिंग