التطبيقات الطبية لغازات نظائر ثاني أكسيد الكربون

ثاني أكسيد الكربون غاز غير قابل للاشتعال، وغير متفجر، وغير مشع، ويُستخدم على نطاق واسع في المجالات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية والطبية. ومن خلال التخليق الكيميائي، يُمكن إنتاج عدد كبير من المركبات المعقدة باستخدام نظير الكربون-13 (13CO2) كمادة خام. لهذه المركبات تطبيقات واسعة في المعايير البيئية، والبحوث الجنائية، والتشخيص. ومن المعروف أن اليوريا المُوسومة بالكربون-13 تُستخدم في اختبار التنفس للكشف عن اليوريا (بعد تناول اليوريا المُوسومة بالكربون-13 عن طريق الفم، إذا كان الشخص مصابًا بعدوى جرثومة المعدة (H. pylori)، فإن اليوريا المُوسومة بالكربون-13 تتحلل إلى ثاني أكسيد الكربون المُوسوم بالكربون-13؛ وبالتالي، يُمكن تشخيص عدوى جرثومة المعدة عن طريق الكشف عن ثاني أكسيد الكربون المُوسوم بالكربون-13 في هواء الزفير باستخدام مطياف الكتلة عالي الدقة لنسبة نظائر الغاز). (بما أن اليوريا الموسومة بالكربون-13، عند تناولها عن طريق الفم، تتوزع بشكل متجانس بعد وصولها إلى المعدة، فإنه يمكن الكشف عن عدوى جرثومة المعدة (H. pylori) بدقة عالية عند وجودها في موضع ملامسة اليوريا الموسومة بالكربون-13). في السنوات الأخيرة، دخلت مركبات متعددة موسعة النطاق في اختبارات التنفس غير الجراحية حيز الاستخدام الطبي. كما يُستخدم ثاني أكسيد الكربون-13 (13CO2) كغاز ليزري، ليس فقط في البحوث الأساسية، بل أيضًا في العيادات لإجراء جراحة المناظير بالليزر.

يُغذي علماء الأحياء الطحالب والبكتيريا والكائنات الدقيقة الأخرى بغاز الكربون-13 الموسوم نظائريًا لدراسة عملياتها الأيضية باستخدام الرنين المغناطيسي النووي. ويمكن استخلاص مجموعة متنوعة من الأحماض الأمينية والبروتينات والدهون والسكريات والحمض النووي من الكائنات الموسومة بالكربون-13. ويزداد عدد المكونات المستخلصة بشكل كبير عند تغذية الطحالب أو البكتيريا الموسومة لإنتاج كائنات دقيقة متطورة. ويستخدم العلماء المكونات الموسومة لتحديد بنية الجزيئات الكبيرة وتفاعلات مجموعات التنسيق بين البروتينات. وتتيح زراعة الطحالب في جو من ثاني أكسيد الكربون-13 النقي وسمها بالكربون-13 بشكل متجانس، وقد قام البعض بتغذية الدجاج بطحالب السبيرولينا الموسومة بالكربون-13، مما يسمح بدراسة الأحماض الأمينية النشطة.

يُعدّ التصوير بالرنين المغناطيسي الأيضي التعويضي للدماغ أحد أهم تطبيقات الجلوكوز وحمض الجلوتاميك المُوسَمين بالكربون-13. ويمكن قياس تكاثر الخلايا باستخدام الحمض النووي المُوسَم بالكربون-13. وباستخدام المكونات المُوسَمة بالكربون-13 وتقنية مطيافية الرنين المغناطيسي الحديثة للكربون-13، يُمكن استكشاف بنية الجينات وتحديد كميتها للحصول على رؤية شاملة للجينات البشرية والتغيرات في التركيب الجزيئي للخلايا الحية. كما يُتيح التطبيق المباشر لثاني أكسيد الكربون-13 على الأنظمة البيولوجية (مثل تغطية تربة الحقول بهواء مُخصّب بثاني أكسيد الكربون-13) مراقبة ديناميكيات الكربون في الكائنات الحية لإجراء التجارب الحيوية. ويمكن استخدام المواد المُوسَمة بالكربون-13 لتتبع تركيب الكربون العضوي في التربة، بالإضافة إلى قنوات النقل.

بما أن النباتات تمتص ثاني أكسيد الكربون من الهواء، يمكن أيضًا وسم ثاني أكسيد الكربون بنظير الكربون-13. ويمكن استخدام هذه التقنية في البحوث العلمية الأساسية والتطبيقية. على سبيل المثال، دراسة التوافر الحيوي للعناصر الغذائية واستقلاب المواد العضوية التي تتغذى على نباتات موسومة. (التوافر الحيوي للعناصر الغذائية من مختلف الأطعمة لدى الحيوانات والبشر). وقد أدى تطوير المركبات الموسومة بالكربون-13 والأجهزة التحليلية إلى توسيع نطاق تطبيقات النظائر المستقرة، مما فتح آفاقًا جديدة للمعرفة حول الإنسان والبيئة.