Investigadores de la Universidad de Melbourne han desarrollado una técnica que podría aumentar la sensibilidad de la resonancia magnética MRI para el diagnóstico del paciente.
La nueva técnica funciona aumentando la fuerza del campo magnético producido por las moléculas y, por lo tanto, aumentando su señal cuando se mide por MRI.
El equipo diseñó defectos específicos en los cristales de diamante que ejercen una influencia mecánica cuántica controlada sobre los espines nucleares en las moléculas cercanas, incluidos potencialmente aquellos utilizados en la imagen metabólica de los tumores cerebrales, haciéndolos 'alinearse' polarizarse en una orientación específica.
Este estado hiperpolarizado de los espines nucleares está altamente ordenado y aumenta el campo magnético que puede detectarse mediante técnicas como la resonancia magnética.
Es la primera vez que se muestra esta polarización de núcleos moleculares usando una sonda cuántica basada en diamantes.
El investigador de la Facultad de Física de la Universidad de Melbourne, Lloyd Hollenberg, dirigió el equipo de investigación, con el trabajo publicado en Comunicaciones de la naturaleza .
El profesor Hollenberg, quien es subdirector de CQC2T y presidente de Thomas Baker en la Universidad de Melbourne, dijo que los mejores escáneres de resonancia magnética del mundo ahora están alcanzando el campo magnético máximo que el cuerpo humano puede tolerar a medida que la tecnología se esfuerza por lograr una mayor sensibilidad.
"Los imanes superconductores que producen estos campos también son la razón por la cual los escáneres de resonancia magnética cuestan millones de dólares, ya que los imanes deben mantenerse a temperaturas criogénicas", dijo el profesor Hollenberg.
"Claramente, se necesita un enfoque disruptivo, por lo que buscamos usar tecnología cuántica para producir una mayor intensidad de señal de ciertos objetivos moleculares a nivel atómico"
El candidato a doctorado de la Universidad de Melbourne, David Broadway, dijo que la técnica funcionó utilizando un imán de nevera y un poco de mecánica cuántica a nivel atómico.
"Podemos pensar en los núcleos del átomo como una aguja de una brújula que produce un campo magnético que depende de su orientación", dijo Broadway.
"Cuando hay varias agujas de la brújula apuntando en diferentes direcciones, el campo resultante tiende a promediar a cero, pero cuando las brújulas apuntan todas en la misma dirección, las contribuciones al campo de cada aguja de la brújula sumarán algo medible"él dijo.
"Por lo tanto, tener todos los núcleos alineados fortalece el campo magnético y, por lo tanto, la lectura de MRI puede captar más detalles.
"Actualmente, las imágenes por resonancia magnética pueden obtener aproximadamente uno en un millón de espines nucleares para alinearse, mientras que nuestro método podría lograr casi el 100 por ciento para alinearse dentro de las moléculas, mejorando potencialmente la sensibilidad de la imagen en órdenes de magnitud"
Los diamantes modificados podrían usarse para construir un chip de "hiperpolarización cuántica", sobre el cual podría fluir un agente de contraste molecular objetivo. La interacción mecánica cuántica entre las sondas objetivo y cuánticas se aprovecha para transferir la polarización del diamante al agente,que podría ser inyectado o inhalado por un paciente antes de su resonancia magnética. El agente retiene su polarización el tiempo suficiente para, por ejemplo, viajar al sitio del tumor, lo que facilita la imagen a través de la resonancia magnética.
El investigador postdoctoral Dr. Liam Hall dijo que la medicina de precisión basada en IRM ya emplea este tipo de imágenes, pero el costo de la infraestructura requerida puede rivalizar con el de los escáneres de IRM.
"Además, solo usaríamos la luz que brilla a través de los diamantes en la producción mecánica cuántica de agentes de contraste polarizados ya aprobados para el uso de rutina. Así que nada tóxico entraría en el cuerpo", dijo el Dr. Hall.
"La técnica surgió de nuestro trabajo en el desarrollo de tecnología de detección cuántica, y la comprensión de que estas sondas cuánticas basadas en diamantes pueden ejercer una poderosa influencia en los espines nucleares circundantes cuando optimizamos las condiciones bajo las cuales" hablan "directamente entre ellos,"dijo el Dr. Hall, quien ideó el concepto teórico.
"En cierto sentido, la sonda cuántica extrae el trastorno de espín aleatorio de la molécula objetivo 'caliente' para producir un estado ordenado 'frío' alineado por espín. El potencial de aplicación en hiperpolarización para IRM pronto se hizo evidente".
El poder de la técnica cuántica se manifiesta a partir de la demostración experimental.
El profesor Hollenberg dijo: "Para ponerlo en contexto, para lograr el mismo nivel de polarización con un enfoque convencional, necesitaríamos aumentar el campo magnético en un factor de aproximadamente 100,000 veces, y solo vas a encontrarcampos como ese en una estrella de neutrones "
Las técnicas para hiperpolarizar espines nucleares podrían tener una serie de aplicaciones importantes en las ciencias físicas y biológicas.
Los metabolitos hiperpolarizados se pueden inyectar en los pacientes y viajarán a los sitios del tumor y donde se pueden monitorear en tiempo real usando MRI a medida que se metabolizan; y los gases hiperpolarizados se pueden inhalar para obtener imágenes de MRI de los pulmones y su función.Estas técnicas tienen un papel central que desempeñar en la era naciente de la medicina personalizada.
La hiperpolarización de las moléculas objetivo también aumenta la relación señal / ruido de la espectroscopía de resonancia magnética nuclear RMN de alta resolución, lo que la convierte en una herramienta importante para estudiar sistemas biomoleculares complejos.
"Claramente, el siguiente paso, en el que estamos muy centrados, es repetir este proceso utilizando matrices de ingeniería de tamaño macroscópico de estas sondas cuánticas en diamante para ampliar esta tecnología", dijo el profesor Hollenberg.
"Más sondas equivalen a más polarización y más moléculas de agente de contraste producidas, pero las sondas comienzan a perturbarse cuánticamente entre sí si se empaquetan demasiado cerca, por lo que necesitamos encontrar el equilibrio correcto.
"Si podemos marcar esa casilla, podemos pensar en volúmenes de polarización de agentes de contraste de MRI que son detectables por los escáneres de MRI encontrados en laboratorios de investigación y hospitales"
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Materiales proporcionado por Universidad de Melbourne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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