電子順磁共振波譜儀（EPR）的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

​隨著電子順磁共振波譜技術(shù)的研究逐漸深入，其應(yīng)用領(lǐng)域和方向也在不斷拓寬，該技術(shù)可以直接檢測(cè)自由基的優(yōu)勢(shì)也極大推動(dòng)了生物醫(yī)學(xué)研究的發(fā)展。

EPR技術(shù)不僅可以直接檢測(cè)到自由基，還可以得到分子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面的重要信息，從而可以應(yīng)用在研究生物組織的穩(wěn)定自由基上。例如來源于動(dòng)物或植物的黑色素，它是經(jīng)過自然和人工的聚合而形成的獨(dú)特的基團(tuán)，是一種穩(wěn)定的有機(jī)自由基，EPR技術(shù)是其有效且直接的研究方法。此外，在凍干的動(dòng)物和植物組織以及代謝活躍的組織樣品中，均能檢測(cè)出自由基的存在。

動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的羥基自由基

在研究生物過程中產(chǎn)生的活潑自由基方面，EPR技術(shù)也能夠勝任。在許多生物過程中，尤其是包含氧化還原反應(yīng)或是氧利用過程中，有自由基作為中間產(chǎn)物或最終產(chǎn)物產(chǎn)生。由于EPR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)原位檢測(cè)，所以無論自由基是作為中間產(chǎn)物，抑或是最終產(chǎn)物，我們都可以利用EPR進(jìn)行檢測(cè)。例如葉綠體在有光照時(shí)會(huì)引起自由基的生成，曾有研究者使用EPR檢測(cè)到過光合體系中超氧自由基的光合原初反應(yīng)。而且EPR還可以用于研究酶促反應(yīng)中的自由基，在合適的條件下甚至可以利用超精細(xì)耦合來鑒定自由基，從而得到酶催化的機(jī)理和酶的活性部位結(jié)構(gòu)的相關(guān)信息。

 

在藥物或輻射影響生物體后，常會(huì)伴隨自由基的形成。EPR技術(shù)可以對(duì)此自由基進(jìn)行定量或定性的檢測(cè)，得出輻射損傷程度以及損傷部位的信息，還可以進(jìn)一步來研究出涉及輻射效應(yīng)的相關(guān)效應(yīng)與機(jī)理。所以輻射事故發(fā)生后，使用EPR檢測(cè)人體所受輻射的劑量也已經(jīng)成為了一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域。例如牙齒，骨頭，指甲等生物組織在收到輻射后都可以使用EPR進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)劑量重建。同時(shí)EPR技術(shù)也可以對(duì)藥物代謝過程中產(chǎn)生的自由基進(jìn)行檢測(cè)，可用于藥物作用的監(jiān)控。已有研究結(jié)果表明，致癌物可以在組織中形成自由基，這在癌前診斷中可能會(huì)起到重要的作用。如下圖所示：


一般來說，在化學(xué)反應(yīng)中自由基會(huì)有高度的反應(yīng)力，而在生物環(huán)境內(nèi)，自由基濃度不會(huì)很高，反應(yīng)能力也相對(duì)較低。若采用一種穩(wěn)定的自由基結(jié)合到單分子或處于復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)分子上的特定部位，則可以從EPR譜圖上取得標(biāo)記物的有關(guān)環(huán)境信息，這也就是EPR的自旋標(biāo)記法。已有人利用此方法研究了天青蛋白疏水區(qū)的結(jié)構(gòu)與P53蛋白的相互作用。所以自旋標(biāo)記法結(jié)合EPR技術(shù)已成為檢測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力工具。

EPR研究對(duì)象是自由基等順磁物質(zhì)，這類物質(zhì)往往直接參與生物體的某些生理或病理過程，甚至在某些疾病的發(fā)生與發(fā)生中其重要的作用，其特有的優(yōu)勢(shì)也是其他研究手段無法替代的，所以其有著廣闊的應(yīng)用前景。

EPR是由不配對(duì)電子的磁矩發(fā)源的一種磁共振技術(shù)，可用于從定性和定量方面檢測(cè)物質(zhì)原子或分子中所含的不配對(duì)電子，并探索其周圍環(huán)境的結(jié)構(gòu)特性。對(duì)自由基而言，軌道磁矩幾乎不起作用，總磁矩的絕大部分（99%以上）的貢獻(xiàn)來自電子自旋，所以電子順磁共振亦稱“電子自旋共振”（ESR）。在此研究中的EPR實(shí)驗(yàn)結(jié)果均使用了先進(jìn)的EPR技術(shù)（德國(guó)Bruker ESR5000）去證實(shí)。

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