La resonancia magnética (MRI) ya se usa ampliamente en medicina con fines de diagnóstico. La resonancia magnética hiperpolarizada es un desarrollo más reciente y su potencial de investigación y aplicación aún no se ha explorado por completo. Investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) y del Helmholtz Institute Mainz (HIM) han presentado una nueva técnica para observar los procesos metabólicos en el cuerpo. Su método de resonancia magnética de contraste singlete emplea parahidrógeno de fácil producción para rastrear procesos bioquímicos en tiempo real. Los resultados de su trabajo han sido publicados en Edición internacional Angewandte Chemie y elegido por los editores como "periódico caliente", es decir., una publicación importante en un campo altamente significativo y en rápido desarrollo.

En las ultimas decadas, se ha convertido en una práctica estándar utilizar la resonancia magnética para los exámenes médicos. Se puede utilizar para investigar los tejidos blandos del cuerpo, como el cerebro, discos intervertebrales, e incluso la formación de tumores. "Las imágenes de resonancia magnética pueden mostrarnos la estructura del cerebro, por ejemplo, pero no nos dicen nada sobre los procesos biomoleculares que ocurren en el cuerpo, en parte debido a la poca sensibilidad de la resonancia magnética, "dijo el Dr. James Eills, primer autor del estudio y miembro del grupo de trabajo dirigido por el profesor Dmitry Budker en JGU y HIM.

Usar átomos de hidrógeno en lugar de isótopos de carbono o nitrógeno

Una forma de mejorar significativamente las señales de resonancia magnética es la hiperpolarización. Esto logra una alineación significativa de los espines nucleares generadores de señales con la ayuda de un campo magnético externo. La resonancia magnética mejorada por hiperpolarización ya se está utilizando para estudiar procesos biomoleculares en el cuerpo; Desafortunadamente, el uso del isótopo de carbono C-13 o del isótopo de nitrógeno N-15 está asociado con ciertas desventajas. "Por lo tanto, sería de considerable beneficio si pudiéramos usar átomos de hidrógeno directamente. El hidrógeno tiene una mayor sensibilidad, es más abundante, y el equipo de detección está fácilmente disponible, "declaró Eills. Un inconveniente del hidrógeno, sin embargo, es su rápido tiempo de relajación. Esto significa que los átomos hiperpolarizados vuelven a su estado original tan rápidamente que es difícil generar imágenes.

El Dr. James Eills y sus colegas abordaron este problema utilizando un estado cuántico especial de núcleos de hidrógeno llamado estado singlete, que se deriva del llamado parahidrógeno. "Esto significa que pudimos superar los inconvenientes de las imágenes de protones hiperpolarizados, particularmente los relacionados con el corto tiempo de relajación, ", explicó Eills. Si bien el hidrógeno suele tener un tiempo de relajación de unos pocos segundos, esto puede ser minutos en el caso de estados singlete. El estado singlete tampoco es magnético y, por lo tanto, no se puede observar. Solo se puede observar una vez que la molécula ya no es simétrica.

Cuando se usa fumarato, el metabolismo desencadena la hiperpolarización

En el estudio en discusión, los científicos describen su técnica para la resonancia magnética de contraste singlete usando fumarato, una biomolécula que se produce naturalmente como un producto intermedio del metabolismo. Primero, el fumarato se produce a partir de una molécula precursora y parahidrógeno. El fumarato hiperpolarizado se convierte en malato mediante la adición de una molécula de agua pesada. Esta conversión elimina la simetría de la molécula, haciéndolo magnético y detectable. "Entonces podemos usar las señales magnéticas asociadas para obtener imágenes, "Señaló el Dr. James Eills.

El fumarato marcado con carbono 13 ya es una molécula que desempeña un papel importante en las imágenes hiperpolarizadas. Este trabajo abre la posibilidad de realizar imágenes de fumarato con todos los beneficios de observar hidrógeno en lugar de cabon-13. Es más, el uso de parahidrógeno también sería beneficioso debido al hecho de que se puede producir fácilmente:el gas hidrógeno simplemente se enfría en presencia de un catalizador, que luego se elimina. El parahidrógeno resultante se puede calentar y permanece estable en el estado para durante meses.

"La resonancia magnética hiperpolarizada se encuentra en las primeras etapas de su desarrollo, y nuestra contribución es una nueva y emocionante variante de resonancia magnética, ", concluyó Eills. Es posible grabar imágenes de la señal hiperpolarizada en diferentes puntos en el tiempo, que permite el seguimiento en tiempo real de los procesos metabólicos.

"La combinación de polarización inducida por parahidrógeno con estados de espín de larga duración y conversión enzimática finalmente abre la puerta a una imagen de resonancia magnética rentable de fumarato y marcadores tumorales similares en el metabolismo del cáncer, "añadió el profesor Gerd Buntkowsky, jefe del grupo de Química Física de la Materia Condensada en TU Darmstadt y autor correspondiente del trabajo.