La técnica no invasiva que salva vidas, conocida como resonancia magnética, funciona alineando átomos de hidrógeno en un fuerte campo magnético y pulsando ondas de radiofrecuencia para convertir la respuesta de esos átomos en una imagen.

Se podría argumentar que el campo de procedencia de la resonancia magnética es la química:la resonancia magnética funciona explotando las propiedades magnéticas inherentes de los átomos individuales. ¿Qué pasaría si, en lugar de solo crear imágenes, una máquina de resonancia magnética pudiera extraer información detallada sobre la química del cuerpo, por ejemplo, los niveles de pH en la vecindad de un tumor o las anomalías de temperatura que ocurren alrededor de una lesión? ¿Qué pasaría si los principios físicos de las imágenes magnéticas pudieran aplicarse a todo tipo de cambios químicos, hasta el nivel de átomos y moléculas, y pudieran brindarnos nuevos conocimientos sin precedentes sobre la salud y las enfermedades humanas?

Estas preguntas "qué pasaría si" impulsan el trabajo del profesor asistente del Departamento de Química Joseph Zadrozny y su equipo de estudiantes e investigadores. Un químico inorgánico que sigue la línea entre la química y la física cuántica, Zadrozny ha construido un laboratorio en la Universidad Estatal de Colorado cuyo principal objetivo es diseñar moléculas que permitan que las imágenes de resonancia magnética hagan cosas que actualmente no pueden. Al hacerlo, los investigadores están descubriendo información fundamental sobre cómo las propiedades magnéticas de las moléculas que contienen iones metálicos responden a sus entornos, ya sea que eso signifique cambios extremadamente pequeños en la temperatura, el pH u otras métricas.

"Estamos viviendo, respirando, hablando de reactores químicos", dijo Zadrozny. "Si pudieras imaginar esa química, sería realmente poderosa".

Núcleo que actúa como un electrón

En un gran avance hacia su objetivo de fabricar nuevas sondas de imágenes magnéticas con sensibilidad a temperaturas extremas, el equipo de Zadrozny ha publicado un artículo en el Journal of the American Chemical Society que describe una molécula a base de cobalto que han diseñado para ser un termómetro químico no invasivo. Han utilizado su experiencia en diseño molecular para hacer que el espín nuclear del complejo de cobalto, un caballo de batalla, propiedad magnética fundamental, imite la sensibilidad ágil, pero menos estable, del espín de un electrón. "Spin" es lo que le da a las partículas subatómicas su magnetismo.

Al hacer que el núcleo de cobalto actúe esencialmente como un electrón, demostraron que este complejo especial de cobalto algún día podría formar la base de una poderosa sonda de imágenes moleculares que podría leer cambios de temperatura extremadamente sutiles dentro del cuerpo. La imaginación podría volverse loca sobre cómo podría usarse este fenómeno:los médicos podrían detectar los cambios de temperatura más pequeños alrededor de un tumor aún invisible. Un procedimiento de ablación térmica en el consultorio podría adquirir una precisión de nivel molecular, eliminando el tejido enfermo y evitando el tejido sano.

Crear una sonda de detección de temperatura con el material de cobalto, que en el consultorio de un médico algún día podría inyectarse o ingerirse para comunicar las señales de temperatura del cuerpo,

aprovecharía el magnetismo controlable de un núcleo. También tendría la propiedad deseable de lectura de información a través de ondas de radiofrecuencia, que son seguras para el cuerpo humano o animal. Tal sonda magnética también funcionaría a temperatura ambiente, según prevén los investigadores.

El uso de las propiedades magnéticas de los electrones giratorios, un área de estudio popular para los físicos que intentan hacer computadoras cuánticas, es menos ideal para las imágenes biomédicas. Una razón:explotar el magnetismo de los electrones requiere microondas, que son peligrosas para los humanos (imagínese que necesita estar en microondas para obtener una resonancia magnética). Estas sondas basadas en electrones tampoco funcionarían a temperatura ambiente; tendrían que estar mucho más frías.

Experimentos de resonancia magnética nuclear

Para realizar sus experimentos, el equipo de Zadrozny dirigido por el investigador postdoctoral Ökten Üngör diseñó la molécula de cobalto y probó su sensibilidad a la temperatura utilizando un espectrómetro de resonancia magnética nuclear de 500 megahercios ubicado en el Núcleo de recursos analíticos de la CSU. El ARC es una instalación compartida administrada por el vicepresidente de investigación ubicada en el edificio de química que permite a los investigadores de todo el campus realizar investigaciones a través de instrumentación analítica de vanguardia.

"Demostramos, a través de experimentos de resonancia magnética nuclear, que la sensibilidad superó a moléculas comparables en órdenes de magnitud", dijo Üngör.

Una amplia gama de aplicaciones podría estar reservada para la molécula de cobalto de los investigadores. "La química alrededor del átomo de cobalto es altamente ajustable y podemos controlarla en un alto grado", dijo Üngör. "Este trabajo no solo es prometedor en el campo de la medicina, sino que los pasos básicos y la teoría pueden conducir a avances en el ámbito de la computación cuántica. Es posible que encontremos aún más aplicaciones a medida que continuamos con nuestra investigación".

El equipo puede explorar a continuación un diseño mejorado de la sonda de imagen basada en cobalto para hacerla más estable en solución acuosa. Por ahora, la sensibilidad a la temperatura del material es asombrosa, pero la molécula no es lo suficientemente robusta para sobrevivir en el cuerpo durante mucho tiempo, lo que sería necesario en una aplicación médica. + Explora más

ESR-STM en moléculas individuales y estructuras basadas en moléculas