05-02 Espectroscopía de fósforo

Aunque resulte fácil visualizar el agua y la grasa en un espectro de un tejido, no es muy interesante desde un punto de vista médico, y de hecho, las señales de grasa y agua son tan grandes que pueden dificultar la visualización de los me­ta­bo­li­tos de interés. Por lo tanto, es de imaginar que los primeros estudios de espec­tro­sco­pía por RM (ERM) tendían a concentrarse en otros núcleos, y el más popular era el fósforo (³¹P).

Bajo un campo magnético dado, la frecuencia de resonancia del ³¹P será de aproximadamente 0,405 veces la de 1H, por lo que a 2,35 Teslas, ¹H tiene una frecuencia de resonancia de 100 MHz y ³¹P tiene una frecuencia de resonancia de 40.5 MHz. Resulta obvio por tanto ver que una bobina transmisora o re­cep­to­ra que trabaje con ³¹P deberá sintonizarse a una frecuencia de resonancia dis­tin­ta que una bobina transmisora o receptora diseñada para ¹H, por lo que no ex­iste la posibilidad de detectar erróneamente los núcleos.

El ³¹P presenta una gran variedad de desplazamientos químicos de­bi­do a la gran variedad de enlaces quí­mi­cos que pueden formarse con el fósforo (Figura 05-03). Sin em­bar­go, los compuestos quí­mi­cos que son de interés en los estudios biológicos se encuentran en un ran­go mucho menor de des­pla­za­mien­to químico (alrededor de 25 ppm; ver también Tabla 05-01). Tabla 05-01: Lista de abreviaturas frecuentes utilizadas en espectroscopía por RM.

Figura 05-03:
(a) Diagrama con las frecuencias de resonancia de varios núcleos en relación al ¹H.
(b) Ampliación de la región de frecuencias donde los núcleos de fósforo producen señal.
(c) Ampliación de la región de frecuencias donde moléculas de interés biológico que contienen fósforo producen señal.

Los metabolitos que se pueden visualizar comúnmente en los espectros in vivo son la fosfocreatina (PCr, importante en el metabolismo energético), el fosfato inorgánico (Pi), los fosfomonoésteres (PME, incluyendo fosfatos de azúcar como la glucosa-6-fosfato), fosfodiésteres (PDE, que pueden incluir precursores de lípidos como fosforilcolina y fosforiletanolamina, y también lípidos) y adenosín trisfosfato (ATP, que tiene quizá el papel más relevante en el metabolismo energético).

Excluyendo el ATP, todos estos metabolitos únicamente contienen un átomo de fósforo por cada molécula, por lo que únicamente existe un pico de resonancia por molécula. Esto simplifica bastante la interpretación del espectro, pero puede ser también un inconveniente si las células tienen un número determinado de moléculas de fósforo químicamente parecidas. Es decir, es muy difícil por ejemplo, diferenciar entre glucosa-6-fosfato, fructosa-6-fosfato y otras hexosa-6-fosfato ya que todos los picos tienden a solaparse.Este es un problema común en espectroscopía; la habilidad para diferenciar entre picos se conoce como resolución, y si dos señales tienen una diferencia suficiente en desplazamiento químico como para poder visualizarse en dos picos distintos, entonces se dice que tienen suficiente resolución.

El ATP es diferente a las otras moléculas mencionadas hasta ahora, ya que posee 3 átomos de fósforo en cada molécula. El α-fosfato tiene un grupo de adenosina en un lado y un grupo de fosfato en el otro; el β-fosfato tiene un grupo fosfato en cada lado; y el γ-fosfato tiene un grupo fosfato en un lado. Por lo tanto, los 3 átomos de fósforo son químicamente distintos y podemos visualizar 3 picos diferentes en el espectro ³¹P del ATP.

La Figura 05-04 muestra el espectro ³¹P de un músculo de la pierna y de un cerebro, ambos adquiridos en un humano. Ambos espectros parecen muy diferentes, aunque la mayoría de las señales están presentes en ambos espectros. Una de las diferencias es que los anchos de pico son relativamente más estrechos en el espectro de la pierna, mientras que son relativamente más anchos en el espectro del cerebro. Esto es debido a los diferentes entornos físicos experimentados por las moléculas en el cerebro con respecto al entorno del tejido muscular.

Figura 05-04: (a) Espectro de ¹H de un cerebro humano; (b) Espectro de ³¹P de un músculo de la pierna. The different concentrations of phosphorus metabolites in the two tis­sues affect the re­la­tive peak area, and the different phy­si­cal environments of the metabolites in the tis­sues affect the widths of the peaks.

Sin embargo, la concentración de un metabolito detectado en un experimento de RM es proporcional al área bajo el pico y no sólo a la altura de éste, por lo que un pico elevado y estrecho no tiene por qué representar una concentración más alta que un pico de una altura menor y con mayor anchura. Otra de las diferencias en la figura es la intensidad de las señales de los metabolitos de fósforo. El espectro de músculo está dominado por el pico de PCr y los picos de ATP, mientras que el espectro en cerebro está dominado por un pico ancho de PDE, y también por señales relativamente intensas de PCr y ATP.

En la revisión de Matson's y Weiner's se puede encontrar una buena selección de artículos sobre espectroscopía de ³¹P [⇒ Matson], mientras que en el libro de Rubaek Danielsen y Ross se puede encontrar mucha información sobre las aplicaciones [⇒ Rubaeck].

 El espectro de la Figura 05-04 representa 'capturas' de la situación metabólica de un tejido, pero la ERM puede utilizarse también para seguir cambios metabólicos en periodos de tiempo tan cortos como unos pocos minutos, y por supuesto tan largos como varias semanas e incluso meses.

La figura 05-05 contiene una serie de espectros ³¹P de un músculo de humano joven adquiridos cada 90 segundos. Durante los primeros 3 minutos, el músculo estaba en reposo, a partir de este periodo se ejercitó al músculo durante 7,5 minutos, tiempo durante el cual se prosiguió con la adquisición de datos de RM. Finalmente, se adquirieron espectros adicionales durante 12 minutos más mientras el músculo se recuperaba. Los espectros se representaron para visualizar y destacar los cambios en PCr y Pi. Estos espectros demuestran de una manera elegante como la PCr se utiliza en el tejido muscular durante el ejercicio para mantener el ATP en niveles constantes; el pico de PCr disminuyó, pero no hubo cambios en los picos de ATP. El elevado nivel de Pi que aparece como consecuencia de la hidrólisis de PCr a Cr y Pi durante el ejercicio puede también apreciarse en los espectros. Con tal resolución temporal, sería posible medir la tasa de variación de los metabolitos así como la magnitud de esos cambios.

Figura 05-05: A time-series of 31P spectra of a human calf muscle showing how exercise and recovery affect the phosphorus metabolites. Each 90 seconds a new spectrum was acquired [⇒ Timm]. Green = rest; red = beginning of exercise; magenta = beginning of recovery.

La ERM puede también utilizarse para seguir cambios metabólicos en periodos de días o semanas, por ejemplo, en la monitorización de la respuesta de un tumor a la terapia [⇒ Southon].

Las ventajas de la ERM de ³¹P son que el fósforo de los metabolitos juega un papel muy importante en el metabolismo energético, y ocurren en razonablemente altas concentraciones, especialmente en el tejido muscular, pero también en cerebro e hígado, por ejemplo. Una desventaja importante de la ERM de ³¹P es que proporciona una diferenciación bastante deficiente de los metabolitos in vivo. Existen aproximadamente del orden de 10 metabolitos diferentes contribuyendo al pico de PME de un espectro in vivo, pero todos ellos se solapan unos a otros, por lo que los metabolitos individuales no pueden distinguirse.

Otro de los problemas con el ³¹P es que más allá de los principales metabolitos relacionados con el metabolismo energético, las señales son o bien demasiado anchas para detectarse, como por ejemplo los fosforilados intermediarios de la glicólisis, o bien no existen metabolitos con fósforo a detectar, como por ejemplo en el ciclo de Krebs, aminoácidos, lípidos, azúcares, etc.. Esto indica que tienen que utilizarse otros núcleos para estudiar estos metabolitos relevantes biológicamente pero que no contienen fósforo.