Investigadores de la Universidad de Melbourne han desarrollado una técnica que podría aumentar la sensibilidad de la resonancia magnética (MRI) para el diagnóstico de pacientes.

La nueva técnica funciona aumentando la fuerza del campo magnético producido por las moléculas, y por lo tanto aumentar su señal cuando se mide por resonancia magnética.

El equipo diseñó defectos específicos en cristales de diamante que ejercen una influencia mecánica cuántica controlada sobre los espines nucleares en moléculas cercanas. incluidos potencialmente los utilizados en la obtención de imágenes metabólicas de tumores cerebrales, haciéndolos 'alineados' (polarizados) en una orientación específica.

Este estado hiperpolarizado de espines nucleares está muy 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 utilizando una sonda cuántica basada en diamantes de este tipo.

El investigador de la Facultad de Física de la Universidad de Melbourne, el profesor Lloyd Hollenberg, dirigió el equipo de investigación, con el trabajo publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

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 puede ser tolerado por el cuerpo humano 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 que 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 la aguja de una brújula que produce un campo magnético que depende de su orientación, "Dijo el señor Broadway.

"Cuando hay varias agujas de brújula apuntando en diferentes direcciones, el campo resultante tiende a promediar a cero, pero cuando las brújulas apunten todas en la misma dirección, las contribuciones al campo de cada aguja de la brújula se sumarán a algo mensurable, " él dijo.

"Por lo tanto, tener todos los núcleos alineados hace que el campo magnético sea más fuerte y, por lo tanto, la lectura de la resonancia magnética puede captar más detalles.

"En la actualidad, Las resonancias magnéticas pueden obtener alrededor de uno en un millón de giros nucleares para alinearse, mientras que nuestro método podría lograr casi el 100 por ciento de alinearse dentro de las moléculas, potencialmente mejorando la sensibilidad de la imagen por 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 diana. La interacción mecánica cuántica entre el objetivo y las sondas cuánticas se aprovecha para transferir la polarización del diamante al agente. que podría inyectarse en, o inhalado por, un paciente antes de su resonancia magnética. El agente retiene su polarización el tiempo suficiente para, por ejemplo, viajar a un sitio del tumor, facilitando la obtención de imágenes mediante resonancia magnética.

El investigador postdoctoral, el Dr. Liam Hall, dijo que la medicina de precisión basada en resonancia magnética ya emplea este tipo de imágenes, pero el costo de la infraestructura requerida puede rivalizar con el de los propios escáneres de resonancia magnética.

"Adicionalmente, Solo usaríamos luz que brillara a través de diamantes en la producción mecánica cuántica de agentes de contraste polarizados ya aprobados para uso rutinario. Para que nada tóxico ingrese al cuerpo, "Dijo el Dr. Hall.

"La técnica surgió de nuestro trabajo en el desarrollo de tecnología de detección cuántica, y la constatación de que estas sondas cuánticas basadas en diamantes pueden ejercer una poderosa influencia en los espines nucleares circundantes cuando optimizamos las condiciones en las que "hablan" directamente entre sí ", dijo el Dr. Hall, a quien se le ocurrió el concepto teórico.

"En un sentido, la sonda cuántica extrae un desorden de espín aleatorio de la molécula objetivo ("caliente") para producir un estado de espín alineado ordenado ("frío"). Pronto quedó claro el potencial de aplicación en la hiperpolarización para la resonancia magnética ".

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 encontrarás campos como ese en una estrella de neutrones ".

Las técnicas para hiperpolarizar los espines nucleares podrían tener una serie de aplicaciones importantes en las ciencias físicas y de la vida.

Los metabolitos hiperpolarizados se pueden inyectar en los pacientes y viajarán a los sitios del tumor y donde se pueden monitorear en tiempo real mediante resonancia magnética a medida que se metabolizan; y los gases hiperpolarizados se pueden inhalar para obtener imágenes de resonancia magnética de los pulmones y su función. Ambas técnicas tienen un papel central que desempeñar en la era naciente de la medicina personalizada.

La hiperpolarización de las moléculas objetivo también aumenta en la relación señal / ruido de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) de alta resolución, por lo que es una herramienta importante para el estudio de 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 escalar 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 unas a otras mecánicamente cuánticamente si están empaquetadas demasiado cerca, por lo que debemos encontrar el equilibrio adecuado .

"Si podemos marcar esa casilla, entonces podemos pensar en volúmenes polarizados de agentes de contraste de resonancia magnética que son detectables por los escáneres de resonancia magnética que se encuentran en laboratorios de investigación y hospitales ".