Область: медицина и микробиология

Источник: Weinstein et al., „Позитронно-эмиссионная томография инфекции Enterobacteriaceae in vivo при помощи фтор-18-деоксисорбитола“, Science Translational Medicine


170-1187039

На обложке последнего номера Science: Translational Medicine изображены две прозрачные светящиеся мыши. У одной под скелетом светится вся полость тела: ярко-красное пятно в грудной клетке, большая клякса в районе печени, туманная муть, просвечивающая из отверстий черепа. У другой все свечение сконцентрировано в правом бедре. Обеих мышей заразили бактериальной инфекцией, вколов в бедро культуру патогенных E. Coli.

f1-medium-9390217

243-6116698

Новый метод, придуманный учеными из Университета Джонса Хопкинса, позволяет увидеть в любой точке организма колонии бактерий размером всего в миллион клеток. Это очень, очень мало.

Сама по себе разработка группы Санджея Джейна — остроумная, но модификация уже существующих медицинских методовв. Прежде всего — позитронно-эмиссионной томографии, которую мы уже давно принимаем как должное и чуть ли не устаревшее.

Но рефлексировать — так по-крупному. Следите за руками.

Молекула воды состоит из трех атомов: двух водородов и кислорода.

Атом кислорода состоит из восьми электронов, восьми протонов и разного количества нейтронов. Чаще всего нейтронов тоже восемь. Но на каждые четыреста атомов кислорода у одного из них нейтронов может быть девять или десять.

340-6415377

Поэтому обычную восьминейтронную воду можно отделить от тяжелой — десятинейтронной — тонко рассчитанной перегонкой. Как спирт «Люкс».

Оставшуюся тяжелую воду (в атомных реакторах тоже тяжелая вода, но не из-за кислорода, а из-за утяжеленных водородов) впрыскивают в циклотрон. Это такой ускоритель частиц — как Большой адронный коллайдер, только маленький, диаметром в метр. Одновременно в циклотроне разгоняют по спирали пучок протонов до скорости в несколько тысяч километров в секунду. На этой скорости они врезаются в молекулы тяжелой воды и вдребезги их разбивают. Среди осколков обнаруживается радиоактивный атом, ради которого все столкновение затевалось — фтор-18.

Разогнанный протон выбил у десятинейтронного кислорода один из лишних нейтронов и встал на его место. В результате образовался фтор, у которого на один протон больше, чем у кислорода — всего девять. Но поскольку один нейтрон был выбит, их осталось девять, как, извините, негритят. У обычного, природного фтора их десять (в сумме с протонами получается 19, поэтому обычный фтор можно еще называть фтором-19).

439-9869583

За эти самые несколько часов химики берут полученный фтор-18 и сломя голову синтезируют из него что-нибудь полезное. В данном случае, не смейтесь — заменитель сахара, сорбитол. С торчащим из его молекул радиоактивным фтором-18. Который, напоминаю, еле-еле держится и так и хочет распасться.

Радиоактивный сорбитол бегом несут в мышиную лабораторию и вкалывают животным — а именно той самой мыши будущего с обложки журнала. Той предварительно заразили ногу патогенной бактерией.

538-1386386

В итоге зараженная нога накачивает в себя сорбитол, тогда как все остальные органы и ткани остаются к нему индифферентны.

И вот тут фтор-18 в молекулах сорбитола наконец распадается.

Умирает фтор красиво. Как волшебные злодеи в играх и фильмах, которые обязательно сгорают каким-нибудь несусветным пламенем — ну не тушей же Вольдеморту на пол падать.

636-5961863

Позитрон встречается редко, потому что материя с антиматерией не очень друг друга любят. Ну или наоборот, слишком сильно. Когда позитрон, испущенный умирающим фтором, врезается в электрон (а электроны у мыши в бедре повсюду), они аннигилируют. Исчезают. Но в момент, когда это происходит, в точке аннигиляции из ниоткуда возникают и разлетаются два фотона.

Разлетаются они не абы как, а в точности под углом 180 градусов. То есть ровно в противоположные стороны. Пролетают сквозь бактерию, сожравшую свой радиоактивный сорбитол, сквозь мышцу, в которой бактерия сидит, сквозь кожу — и оттуда летят наружу, в воздух — и попадают прямо в детекторы томографа, в который ученые поместили мышь.

Детекторы расположены по всей окружности мышиного тела. Поскольку фотоны всегда вылетают парами, каждый распавшийся атом фтора-18 регистрируется с двух сторон. Поскольку фотоны летят с одинаковой скоростью и под строго определенным углом, по задержке между сигналами с двух сторон и по их расположению компьютер вычисляет, где именно произошла аннигиляция позитрона. То есть где именно распался атом фтора. То есть где именно находится сорбитол с этим атомом в составе. То есть где именно сидит бактерия, сожравшая сорбитол.

733-5524245

Позитронно-эмиссионная томография — не новинка. Но трюк с сорбитолом раньше никому в голову не приходил. В большинстве случаев вместо сорбитола используется глюкоза — тоже с фтором-18. Глюкоза — топливо, поэтому ее больше там, где в организме происходит какая-нибудь активная деятельность. Например, в очагах инфекции, где беснуется иммунитет. Именно глюкозу с фтором вводили мыши из прошлого — все с той же обложки. Но этот метод немногим лучше лечения вслепую: на фоне сердца, печени и мозга, пожирающих львиную долю радиоактивной глюкозы, очаги инфекции выглядят, мягко говоря, блекло.

Всемирная организация здравоохранения недавно опубликовала отчет, основная мысль которого сводится к довольно пессимистичному прогнозу: человечеству стоит приготовиться к новой эре инфекционных заболеваний. Изобретение антибиотиков в середине прошлого века застало бактерий врасплох. Но за несколько десятилетий микробы эволюционировали.

831-1008751

Уже сейчас внушительное количество инфекций лечится только „антибиотиками последней надежды“ — пенициллин, полвека назад считавшийся панацеей, сегодня по своей эффективности приближается к горчичникам. Новых классов антибиотиков не появлялось с 1980-х годов.

Между человеком и бактерией идет ожесточенная гонка вооружений: наука против эволюции. На этой неделе мы сделали серьезный шаг вперед. Посмотрим, чем ответят микробы.