Los científicos australianos han desarrollado una nueva herramienta para obtener imágenes de la vida a nanoescala que proporcionará nuevos conocimientos sobre el papel de los iones de metales de transición como el cobre en las enfermedades neurodegenerativas.

En un nuevo artículo publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , un equipo de investigadores de la Universidad de Melbourne revela un "canguro cuántico" que demuestra una forma de detectar y obtener imágenes de espines electrónicos de forma no invasiva con sensibilidades ambientales y órdenes de magnitud de resolución nunca antes alcanzadas. El avance proporcionará a los médicos e investigadores una nueva herramienta para probar el papel que juegan los iones de metales de transición en la biología y la enfermedad.

Las técnicas de resonancia de espín de electrones (ESR) han sido un pilar fundamental en la comprensión de los procesos bioquímicos en los sistemas biológicos. Sin embargo, ESR no ha experimentado un rápido crecimiento en comparación con su tecnología hermana, resonancia magnética nuclear, que ahora es una tecnología madura utilizada en imágenes por resonancia magnética (MRI) para mirar dentro del cuerpo.

Tanto la ESR como la NMR aplican un campo magnético a las moléculas de imagen, pero a diferencia de la RMN, La ESR puede revelar bioquímica relacionada con iones metálicos y radicales libres. El desafío es que en los sistemas biológicos la concentración detectable de espines de electrones es muchos órdenes de magnitud menor que los espines nucleares. Por eso, El obstáculo para el desarrollo de técnicas de imágenes basadas en ESR ha sido la sensibilidad requerida; por lo general, se han necesitado miles de millones de giros electrónicos para generar una señal suficiente para obtener imágenes exitosas.

Introduzca:tecnología cuántica. Un equipo dirigido por el profesor Lloyd Hollenberg ha utilizado una matriz especialmente diseñada de sondas cuánticas en diamante para demostrar imágenes de ESR no invasivas con resolución subcelular. Notablemente, el sistema es capaz de obtener imágenes e interrogar regiones muy pequeñas que contienen solo unos pocos miles de espines de electrones.

"La tecnología de detección e imágenes que estamos desarrollando nos permite ver la vida de formas completamente nuevas, con mayor sensibilidad y resolución derivadas de las interacciones fundamentales de muestra y sonda a nivel mecánico cuántico, "dijo Hollenberg, quien es subdirector del Centro de Tecnología de la Comunicación y Computación Cuántica (CQC2T) y presidente de Thomas Baker en la Universidad de Melbourne.

"Esta mejora espectacular en la tecnología de imágenes ESR es un desarrollo emocionante y una demostración clara de cómo se puede utilizar la tecnología cuántica para mejorar la sensibilidad de la señal y proporcionar soluciones a problemas de larga data, por ejemplo, sondear la bioquímica humana a escalas aún más finas ".

Escalar la tecnología ESR a una resolución submicrométrica ha sido un desafío porque tal reducción en la resolución espacial requiere una sensibilidad sustancialmente mejor. Sin embargo, esto es precisamente lo que ofrecen las sondas cuánticas:alta sensibilidad con alta resolución espacial.

Al generar una matriz de sondas cuánticas en diamante, utilizando el exclusivo centro de color de vacantes de nitrógeno del material, el equipo de investigación interdisciplinario pudo obtener imágenes y detectar especies de espín electrónico en el límite de difracción de la luz, 300 nanómetros. Críticamente, la tecnología de detección es capaz de proporcionar información espectroscópica sobre la fuente particular de espines electrónicos que se están obteniendo imágenes.

Dr. David Simpson, El autor principal y codirector de detección e imágenes del Centro de Ingeniería Neural dijo que la tecnología puede proporcionar una nueva perspectiva del papel que desempeñan los iones de metales de transición en la biología.

"Los iones de metales de transición están implicados en varias enfermedades neurodegenerativas, sin embargo, poco se sabe sobre su concentración y estado de oxidación dentro de las células vivas, " él dijo.

"Nuestro objetivo es adaptar esta nueva forma de detección para comenzar a probar tales efectos en una variedad de sistemas biológicos".

Una de las ventajas únicas de la detección cuántica es que no interfiere con la muestra que se está obteniendo imágenes. Otros enfoques se basan en moléculas fluorescentes que se unen a objetivos particulares de interés. Si bien estos enfoques son específicos de la especie, modifican la funcionalidad y disponibilidad de las especies objetivo de las que se toman imágenes.

El estudiante de doctorado y coautor del artículo, Robert Ryan, explicó la técnica.

"Nuestra técnica se basa en pasivos, detección no invasiva de espines electrónicos mediante la observación de su interacción con la matriz de sondas cuánticas, "dijo Ryan.

"Al sintonizar cuidadosamente un imán externo en resonancia con las sondas cuánticas, podemos escuchar el ruido magnético creado por los giros electrónicos de la muestra. Las diferentes especies de espines electrónicos tienen diferentes condiciones de resonancia; por lo tanto, podemos detectar y obtener imágenes de varios objetivos de espín electrónicos ".

Una clave del éxito del trabajo fue la colaboración entre los miembros del equipo, que proceden de diferentes centros de investigación de la universidad.

"El aspecto interdisciplinario de esta investigación ayudó a ampliar los límites de lo que es posible, "dijo el profesor Paul Mulvaney, coautor y director del Centro de Ciencias Exciton de la Facultad de Química de la Universidad de Melbourne.

"Desde la perspectiva de la química, es sorprendente ver que un frágil sistema cuántico puede adaptarse al entorno fluctuante que se encuentra en los sistemas químicos "reales" y las fluctuaciones inherentes en el entorno de los iones que experimentan reordenamiento de ligandos. La experiencia complementaria dentro de la química, la física y la neurociencia han conducido a este avance ".