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Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 2
INTRODUCCIÓN
La Espectroscopia por resonancia magnética (MRS) es una técnica diagnostica que
ofrece una valoración bioquímica, metabólica y funcional seriadas en enfermedades del
sistema nervioso central que complementan los estudios convencionales.
Desde el descubrimiento del fenómeno físico de la resonancia magnética por el
grupo Bloch y Purcell numerosos equipos de investigación trabajaron en el estudio de las
variaciones de la frecuencia de resonancia en función del tipo de núcleo observado
(Hidrógeno-1,fósforo-31,carbono-13,sodio-23,etc.)Y considerando un tipo de núcleo en
función de la molécula en la que esta integrado, todo ello fue el inicio de la
ESPECTROSCOPIA por resonancia magnética nuclear, básicamente imanes más potentes
y con una estabilidad mayor, cada vez fue posible estudiar moléculas de mayor peso
molecular, en 1957, se publico el primer estudio mediante RM sobre la estructura de una
macromolécula, la ribonucleasa. Posteriormente se aplico en procesos metabólicos de
órganos prefundidos y en la actualidad, se obtienen espectros de órganos “in vivo”.
Paralelamente, en 1973 se inicio el desarrollo de la MRI como técnica tomográfica debido a
la idea de P. Lauterbur logrando la primera imagen, utilizando gradientes magnéticos y
análisis de frecuencia.
La oportunidad de obtener espectros con suficiente resolución y sensibilidad,
mediante imanes de 1.5 Tesla (T), junto con la posibilidad de estudiar en forma directa
algunos procesos metabólicos sin interferir en ellos ni utilizar para ello técnicas agresivas,
hace de la MRS una herramienta de trabajo con grandes posibilidades en él diagnostico
médico.
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 3
FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA ESPECTROSCOPIA DE RMN
La espectroscopia de RMN fue desarrollada a finales de los años cuarenta para estudiar
los núcleos atómicos. En 1951, los químicos descubrieron que podía ser utilizada para
determinar las estructuras de los compuestos orgánicos.
Esta técnica espectroscópica puede utilizarse sólo para estudiar núcleos atómicos con un
número impar de protones o neutrones (o de ambos). Esta situación se da en los átomos de
1H, 13C, 19F y 31P. Este tipo de núcleos son magnéticamente activos, es decir poseen
espín, igual que los electrones.
En ausencia de campo magnético, los espines nucleares se orientan al azar . Sin embargo
cuando una muestra se coloca en un campo magnético (Figura 1), los núcleos con espín
positivo se orientan en la misma dirección del campo, en un estado de mínima energía
denominado estado de espín , mientras que los núcleos con espín negativo se orientan en
dirección opuesta a la del campo magnético, en un estado de mayor energía denominado
estado de espín .
Figura 1. Estados de espín
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 4
Existen más núcleos en el estado de espín que en estado de espín pero aunque la
diferencia de población no es enorme sí que es suficiente para establecer las bases de la
espectroscopia de RMN.
Figura 2. Representación del aumento de la diferencia energética entre los estados de espín con el
aumento de la fuerza del campo magnético.
Como se observa en la figura 2, la diferencia de energía entre los dos estados de
espín , depende de la fuerza del campo magnético aplicado H0. Cuanto mayor sea el
campo magnético, mayor diferencia energética habrá entre los dos estados de espín.
ESPECTRO DE RMN
Cuando una muestra que contiene un compuesto orgánico es irradiada brevemente
por un pulso intenso de radiación, los núcleos en el estado de espín son promovidos al
estado de espín . Esta radiación se encuentra en la región de las radiofrecuencias (rf) del
espectro electromagnético por eso se le denomina radiación rf. Cuando los núcleos vuelven
a su estado inicial emiten señales cuya frecuencia depende de la diferencia de energía (E)
entre los estados de espín y . El espectrómetro de RMN detecta estas señales y las
registra como una gráfica de frecuencias frente a intensidad, que es el llamado espectro de
RMN.
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 5
El término resonancia magnética nuclear procede del hecho de que los núcleos están
en resonancia con la radiofrecuencia o la radiación rf. Es decir, los núcleos pasan de un
estado de espín a otro como respuesta a la radiación rf a la que son sometidos.
Si el espectrómetro de RMN posee un imán potente, éste debe trabajar a una mayor
frecuencia puesto que el campo magnético es proporcional a dicha frecuencia.
Hoy en día los espectrómetros de RMN trabajan a 200, 300, 400, 500 y 600 MHz.
EL ESPECTRÓMETRO DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR
Figura 3. Equipo para medidas de Resonancia Magnética Nuclear
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 6
Componentes de un equipo para medidas de resonancia magnética nuclear:
1. Un imán estable, con un controlador que produce un campo magnético preciso.
2. Un transmisor de radiofrecuencias, capaz de emitir frecuencias precisas.
3. Un detector para medir la absorción de energía de radiofrecuencia de la muestra.
4. Un ordenador y un registrador para realizar las gráficas que constituyen el espectro de
RMN.
Para obtener un espectro de RMN:
Se coloca una pequeña cantidad del compuesto orgánico disuelto en medio mililitro
de disolvente en un tubo de vidrio largo que se sitúa dentro del campo magnético
del aparato.
El tubo con la muestra se hace girar alrededor de su eje vertical.
En los aparatos modernos, el campo magnético se mantiene constante mientras un
breve pulso de radiación rf excita a todos los núcleos simultáneamente.
Como el corto pulso de radiofrecuencia cubre un amplio rango de frecuencias los
protones individualmente absorben la radiación de frecuencia necesaria para entrar
en resonancia (cambiar de estado de espín).
A medida que dichos núcleos vuelven a su posición inicial emiten una radiación de
frecuencia igual a la diferencia de energía entre estados de espín.
La intensidad de esta frecuencia disminuye con el tiempo a medida que todos los
núcleos vuelven a su estado inicial.
Un ordenador recoge la intensidad respecto al tiempo y convierte dichos datos en
intensidad respecto a frecuencia, esto es lo que se conoce con el nombre de
transformada de Fourier (FT-RMN). Un espectro FT-RMN puede registrarse en 2
segundos utilizando menos de 5 mg de muestra.
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 7
APANTALLAMIENTO O PROTECCIÓN MAGNÉTICA POR MEDIO DE
ELECTRONES
El concepto de resonancia de un núcleo determinado debe entenderse no como un
fenómeno aislado, sino más bien, como una interacción del mismo con sus electrones
circundantes. Estos electrones protegen parcialmente a su núcleo del campo magnético
externo al que son sometidos; dicho de otra manera, los electrones se mueven generando un
pequeño “campo magnético inducido” que se opone al campo magnético externo.
Se debe entender que a nivel atómico todas las moléculas poseen una nube
electrónica circundante en constante movimiento que genera una corriente inducida que se
opone al campo magnético externo. Como resultado de este fenómeno tenemos que el
campo magnético que realmente llega al núcleo es menor que el campo magnético externo,
por tanto, se dice que el núcleo está apantallado.
Desde el punto de vista experimental este concepto cobra real importancia pues el
campo magnético efectivo (Hef) que siente un protón dentro de una molécula es siempre
menor al campo magnético externo, por tanto, para que el núcleo entre en resonancia, el
campo externo debe ser mayor.
Es importante recalcar que los protones, al estar en entornos distintos, se encuentran
apantallados de forma particular y única; las características de su ambiente electrónico le
brindan un apantallado característico.
Figura 4. Esquema del fenómeno de Apantallamiento de una molécula de metanol
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 8
A modo de ejemplo, consideremos el caso de la molécula de metanol; un alcohol
simple compuesto de tres especies iónicas distintas: Hidrógeno, Oxígeno y Carbono. De la
imagen a la izquierda observamos que la molécula es asimétrica en su disposición atómica
dada la naturaleza distinta de sus radicales. En particular, en el grupo hidroxilo (OH), el
oxígeno retira densidad electrónica del entorno que rodea al protón del OH. De este modo,
ese átomo de hidrógeno está menos apantallado que sus homólogos del grupo metilo (CH3)
dando como consecuencia que el protón del hidroxilo resuene a un campo magnético menor
que en los del grupo metilo.
Dado que el apantallamiento de cada protón es diferente entre moléculas de distinto
origen, acorde a la configuración de su nube electrónica, tendremos distintas frecuencias de
emisión. El resultado de esto es un espectro de diversas frecuencias donde cada conjunto de
núcleos específicos origina una señal única de RMN. Así pues, el espectro de RMN es una
gráfica de la intensidad de señal en función de la frecuencia de la energía electromagnética
que liberan los núcleos de una muestra. Estas variaciones de frecuencia de absorción de
resonancia, debidas al apantallamiento, reciben el nombre de desplazamientos químicos,
medidos en unidades δ o ppm.
En la práctica es muy difícil medir el campo magnético al que un protón absorbe
con exactitud para distinguir protones individuales pues las absorciones varían en sólo unas
pocas milésimas, por lo tanto, el método más exacto para determinar los desplazamientos
químicos es determinar el valor respecto a un compuesto estandarizado de referencia que se
añade a la muestra, tal como sigue:
El compuesto de referencia estandarizado más utilizado en RMN es el
“tetrametilsilano” que corresponde a un átomo de silicio con cuatro radicales metilo
[Si(CH3)4] . Por ser el silicio menos electronegativos que los radicales de la molécula, los
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grupos metilo poseen mayor densidad electrónica lo que hace que sus protones estén
fuertemente apantallados. Consecuencia de esto, los protones absorben a una intensidad de
campo mayor que el resto de los protones enlazado al carbono o a otros elementos, de
manera que casi la totalidad de señales de resonancia magnética aparecen a campos más
bajos.
En base a esto se ha configurado una escala referencial, llamada escala delta o δ en
donde la absorción del tetrametilsilano (TMS) se define como 0,00 δ.
Como la mayoría de los protones absorben a campos menores que el TMS , la
escala δ aumenta hacia los campos menores. Por ejemplo, las señales de los protones varían
entre 0 y 12 δ mientras que las señales de carbono varían desde 0 hasta 250 δ.
Otro aspecto de importancia a considerar es que tanto los dobles enlaces como los
anillos aromáticos producen efectos desprotectores en sus protones vinílicos o aromáticos
respectivamente; por ejemplo, para el caso de los aromáticos tenemos que el campo
magnético externo induce una corriente en el anillo aromático que se opone a dicho campo,
no obstante ello, las líneas de campo se curvan dando como resultado que en la parte
exterior del anillo se potencie el campo y no se disminuya.
Figura 5. Si bien es cierto, los anillos aromáticos se oponen al campo magnético externo en una primera
instancia, al llegar a las puntas del anillo el campo inducido se curva y se suma al campo magnético
externo. Como resultado, tenemos la diminución del apantallamiento.
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 10
ESPECTRO DE RMN DE 1H
La interpretación de un espectro de RMN se realiza en base al análisis de las curvas de
integración, el desacoplamiento spin-spin y las constantes de acoplamiento.
Figura 6: Espectro de resonancia magnética nuclear de 1-bromo-2,2-dimetilpropano
1) Curvas de Integración:
Corresponde a la curva superpuesta a las señales de un espectro, como lo apreciable en la
figura 6, donde la altura del escalón permite calcular el número de átomos de hidrógeno que
dan origen a cada señal.
Por ejemplo: En la figura anterior la altura para cada escalón es de 7.0 cm y 1.6 cm.
Luego para calcular el numero de átomos de hidrógeno se deben sumar las dos
integraciones (7.0cm + 1,6cm = 8.6cm) y dividir por el número total de hidrógenos de la
estructura (11H) lo que daría como resultado 1,28H/cm. Y por último para saber el número
de H de cada señal se multiplica por su valor anterior con lo que se obtienen 9H (9
protones) para la señal más intensa (tres metilos de la estructura) y 2(H) para la de menor
magnitud (metileno).
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2) Desacoplamiento spin-spin:
Figura 7= Espectro de 1,1 dicloroetano
Un protón en RMN está expuesto a un campo magnético externo y a un campo inducido
por los electrones que lo rodean (apantallantes). Si hay otros protones cercanos, a su
pequeño campo magnético se le verá afectada la frecuencia de absorción de los protones.
Entonces protones vecinos interactúan sobre el spin de otro protón, produciendo
desdoblamiento (cabe mencionar que cuando esta interacción ocurre se dice que los
protones se encuentran acoplados magnéticamente) de la señal.
Por ejemplo para el caso de la figura 7(C2H4Cl2) la señal más pequeña (Ha) se debe al
protón del carbono unido a los dos átomos de cloro (CH3CHCl2), aparece a ς=5.85
(producto del desapantallamiento provocado por 2 átomos adyacentes de cloro) y está
formada por un conjunto de cuatro señales (cuadruplete= 4 picos). Mientras que la señal de
mayor intensidad aparece a ς=2,1 y está formada por dos líneas (dobletes) correspondiente
a los tres átomos de hidrógeno del grupo metilo.
En resumen (por ejemplo) si un vecino a 2 H produce una señal triplete, un H vecino a un
H una señal doblete (regla N + 1).
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3) Constantes de acoplamiento:
Figura 8 = Constantes de acoplamiento de 1,1 dicloroetano
Las distancias entre los picos de multipletes (o protones acoplados) pueden dar
información estructural permitiendo por ejemplo poder distinguir entre los posibles
isómeros que posee un compuesto.
La unidad de esta medición es Hertzios (Hz) y se simboliza como Jab (en el caso de
medir la distancia de acoplamiento entre Ha y Hb).
INTERPRETACIÓN DE LOS ESPECTROS DE RMN DE 1H :
La interpretación correcta de los espectros de resonancia magnética nuclear (RMN)
requiere de mucha práctica y de los siguientes pasos a seguir:
1. A partir de la fórmula molecular:
a. Calcular el número de insaturaciones que posee el compuesto, este número de
instauraciones puede indicar la presencia de anillos, dobles o triples enlaces. El
número de instauraciones se calcula según la siguiente expresión:
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g = Nº átomos de C +1- (nº átomos H + nº átomos halógeno - nº átomos N)/2
b. Relacionar las áreas de integración de los peaks con el número total de protones de
la estructura para obtener el número de protones que representa cada peak individual.
2. La presencia de un singulete ancho (número de H) en el espectro podría deberse a
protones de –NH o –OH. Si el singulete ancho se encuentra más allá de 10 ppm es
probable que se trate de un –OH de ácido.
3. Las señales entre 10 y 9 δ son indicativas de la presencia de un aldehído.
4. Las señales que aparecen entre 8 y 7 δ indican la presencia de un anillo aromático.
5. Las señales entre 6 y 5 δ indican la presencia de protones olefínicos. Mediante el valor
de la constante de acoplamiento se puede deducir si la olefina es cis o trans.
6. Las señales entre 4 y 3 δ indican que hay protones en un carbono unido a un grupo
electronegativo como es el oxígeno o un halógeno.
7. La presencia de una señal alrededor de 2.5 δ se debe al protón de un alquino terminal.
8. Las señales que aparecen entre 2.5 y 2.1 δ pueden indicar la presencia de protones
adyacentes a un grupo carbonilo.
ESPECTROSCOPÍA DE RMN DE 13
C
Como se mencionó anteriormente, la espectroscopia por RMN de 1H se utiliza para
deducir la estructura del esqueleto carbonado observando los entornos magnéticos de los
átomos de hidrógeno. La espectroscopia de RMN de 13
C determina el entorno magnético de
los átomos de carbono, es por esto que la espectroscopia de 13
C es complementaria a la de
1H.
La gran mayoría de los átomos de carbono en una muestra natural (aprox. 99%) son
de 12
C. este isótopo posee un número par de protones y neutrones, por lo tanto, no tiene
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espín magnético y no puede generar señales de RMN. El isótopo de 13
C, menos abundante,
no tiene un número par de neutrones, por lo que tiene un espín magnético de 172, igual al
del protón. Esto hace que sea menos sensible que la espectroscopia de 1H, ya que solo un
1% de los átomos de carbono tiene espín y además la frecuencia de resonancia del 13
C es la
cuarta parte de la frecuencia de RMN de 1H.
Los desplazamientos químicos del carbono son de 15 a 20 veces mayores que los
del hidrógeno debido a que el carbono está directamente unido a los átomos que resultan
ser bien apantallantes o desapantallantes. Por ejemplo, el protón de un aldehído absorbe a
9.4 ppm en el espectro de 1H mientras que el carbono de carbonilo absorbe a 180 ppm en el
espectro de 13
C.
Además, las señales en el espectro de 13
C son líneas verticales, es decir, no hay
desdoblamientos de espín-espín. Esto se debe a que sólo el 1% de los átomos de carbono
entran en resonancia, y por tanto, existe una probabilidad muy pequeña de que un núcleo de
13C esté adyacente a otro núcleo de
13C. A continuación se da una tabla de valores
aproximados de desplazamientos químicos en un espectro de resonancia magnética nuclear
de 13
C:
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 15
APLICACIONES
Referente a las distintas aplicaciones en patologías clínicas que se puede obtener de la
espectroscopía por resonancia magnética se destaca:
Tumores cerebrales:
Hoy en día la resonancia magnética convencional permite detectar tumores gracias a la
mejora de la sensibilidad, el factor que no le favorece es que su aumento en sensibilidad no
es acompañado por un aumento de de la especificidad Con la espectroscopia se hace
posible evaluar el espectro metabólico de la lesión lo que posibilita discernir con gran
especificidad si se trata de una lesión tumoral o no.
En los tumores se aparece una caída del NAA, porque el tumor no se compone de
neuronas (que son las únicas que contienen NAA), también porque el crecimiento del tumor
provoca la destrucción del parénquima cerebral y de neuronas en zonas cercanas.
Se podría decir que una de las detecciones más útiles con esta técnica, es el aumento de la
colina detectado, producto del incremento de la proliferación celular (tumor) que genera un
recambio de la membrana celular donde la colina se encuentra como fosfatidilcolina. En
algunos tumores aparece un aumento del lactato, esto puede ser generado por una necrosis,
o también, por un crecimiento tan acelerado que sobrepasa la vía oxidativa y el cerebro
debe recurrir a la glicólisis anaeróbica, cuyo producto final es el lactato, para satisfacer la
excesiva demanda de energía que se produce (Figura 9).
Figura 9: Ubicación del voxel en la lesión. Aumento de colina, con disminución de NAA y pico de
lactato, característicos de proceso tumoral
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 16
Infarto Cerebral
Aunque el cerebro puede metabolizar glucosa en forma anaeróbica por breves periodos de
tiempo, esto lo hace a expensas de acumular lactato. Este lactato o la acidosis que se asocia
al mismo pueden exacerbar el daño neuronal. El NAA puede utilizarse par evaluar la
extensión del daño neuronal, tanto de manera inmediata como en los estadios posteriores
que siguen al evento isquémico agudo.
En el infarto se observa una disminución NAA y de la relación NAA/Cr, sin aumento de
la colina, se observa además un pico de lactato bastante elevado', debido a que la falta de
oxigenación en los tejidos, producida por la isquemia hace que se utilice la glicólisis
anaeróbica para el metabolismo de la glucosa, con la consiguiente acumulación de lactato.
Se produce además necrosis que también origina un aumento de este metabolito.
Epilepsia
La epilepsia en lóbulo temporal es la forma más común de crisis epilépticas parciales y es
resistente al tratamiento en aproximadamente 40% de los pacientes. Muchos de estos
pacientes pueden ser ayudados con una remoción quirúrgica del foco epileptógeno, con la
condición de que:
- Todas o la mayoría de las crisis se origen en el lóbulo temporal.
- El lóbulo temporal restante pueda compensar la función del lado extirpado.
La lateralización de las crisis se ha basado generalmente en la información clínica y
electroencefalográfica, este enfoque tradicional ha sido modificado por las técnicas de
neuroimágenes: tanto la RM convencional como y el PET se han usado con algún éxito
para la lateralización del foco epileptógeno, pero sus resultados pueden ser muy variables.
En espectroscopia la detección de una disminución de NAA en uno o ambos lóbulos
temporales se compara muy ventajosamente con las técnicas descritas y es el método más
sensible y específico de lateralización de epilepsia del lóbulo temporal. En aquellos
pacientes que no han tenido convulsiones por al menos seis meses después de una
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 17
operación al lóbulo temporal anterior, la disminución del NAA en la parte media y
posterior, tiende a normalizarse. Esto debe de significar que la disminución regional
interictal del N-acetilaspartato que se detecta, refleja una disfunción neuronal asociada con
el estado epiléptico, en lugar de una pérdida neuronal irreversible, asociada con esclerosis
del hipocampo.
Otro hallazgo a mencionar es la presencia de glutamina, que se encuentra mucho más
elevada en el lado afectado" y ayuda también en la lateralización de la crisis epilépticas
(Figuras 10 y 11).
Esclerosis múltiple
La espectroscopia muestra que el NAA está substancialmente reducido en las lesiones
agudas, esta reducción muestra una recuperación parcial a través del tiempo. Tanto la
disminución como la recuperación del NAA tienen una estrecha correlación con las
alteraciones neurológicas observadas en pacientes con esclerosis múltiple (EM). Estos
resultados refuerzan la hipótesis de que la disfunción axonal está asociada con la disfunción
neurológica y su subsiguiente recuperación en la fase aguda de la EM. En la fase aguda
también se observa un gran incremento de la Colina debido en gran parte a un movimiento
de fosfolípidos de la membrana celular (Figuras 12 y 13). También puede observarse un
moderado incremento del lactato.
En la fase crónica de la EM, puede observarse una disminución del NAA no solo en las
placas sino también en zonas adyacentes de apariencia normal. De hecho, esta reducción
Figura 10. Ubicación del vóxel en ambos
hipocampos.
Figura 11. Leve disminución de NAA, aumento
de glutamina y leve disminución de NAA
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 18
del NAA en las zonas aparentemente no afectadas guarda gran correlación con la gravedad
de la incapacidad en pacientes con EM crónica.
Figura 12: Ubicación del voxel en la lesión. Aumento de colina con disminución del NAA característicos
de esclerosis múltiple
Figura 13. A: T1 sagital mostrando las lesiones pericallosas de esclerosis múltiples, conocidos com los
dedos de Dawson'. B: Estudio multivoxel mostrando aumento de la relación colina/ creatina en la
región periventricular y pericallosa donde se encontraron las lesiones descritas.
Espectroscopía por Resonancia Magnética Nuclear 19
CONCLUSIONES
Finalmente podemos concluir que la Espectroscopia por Resonancia Magnética
Es una técnica de exploración no invasiva que no implica exposición a la radiación
ionizante.
Puede ayudar a los médicos a evaluar tanto la estructura de un órgano como su
funcionamiento.
Hace posible descubrir anormalidades que pueden quedar ocultas por los huesos con
otros métodos de exploración.
Permite la detección de anomalías cerebrales, así como la evaluación de la anatomía
funcional normal del cerebro, que no puede lograrse con otras técnicas de
diagnóstico por imágenes.
También se debe considerar que al realizar una RMN existe un leve riesgo de que se
produzcan reacciones alérgicas al inyectar el material de contraste. Dichas reacciones por lo
general son benignas y de fácil control mediante la medicación.
Otro posible complicación se puede producir en los pacientes con severa disfunción
renal por la inyección de material de contraste.
