Cuando los médicos o científicos quieren escudriñar el tejido vivo, Siempre hay una compensación entre la profundidad con la que pueden sondear y la claridad con la que pueden obtener una imagen.

Con microscopios de luz, los investigadores pueden ver estructuras de resolución submicrónica dentro de células o tejidos, pero solo tan profundo como el milímetro más o menos para que la luz pueda penetrar sin dispersarse. Las imágenes por resonancia magnética (IRM) utilizan frecuencias de radio que pueden llegar a cualquier parte del cuerpo, pero la técnica proporciona baja resolución, aproximadamente un milímetro, o 1, 000 veces peor que la luz.

Un investigador de la Universidad de California-Berkeley ha demostrado que los trazadores microscópicos de diamantes pueden proporcionar información mediante resonancia magnética y fluorescencia óptica simultáneamente. potencialmente permitiendo a los científicos obtener imágenes de alta calidad hasta un centímetro por debajo de la superficie del tejido, 10 veces más profundo que la luz sola.

Utilizando dos modos de observación, la técnica también podría permitir imágenes más rápidas.

La técnica sería útil principalmente para estudiar células y tejidos fuera del cuerpo, sondear sangre u otros fluidos en busca de marcadores químicos de enfermedad, o para estudios fisiológicos en animales.

"Esta es quizás la primera demostración de que se pueden obtener imágenes del mismo objeto en óptica y resonancia magnética hiperpolarizada simultáneamente, "dijo Ashok Ajoy, Profesor asistente de química de UC Berkeley. "Hay mucha información que puede obtener en combinación, porque los dos modos son mejores que la suma de sus partes. Esto abre muchas posibilidades, donde puede acelerar la formación de imágenes de estos trazadores de diamantes en un medio en varios órdenes de magnitud ".

La técnica, que Ajoy y sus colegas informan esta semana en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , utiliza un tipo relativamente nuevo de trazador biológico:microdiamantes a los que se les ha expulsado algunos de sus átomos de carbono y se han reemplazado por nitrógeno, dejando espacios vacíos en el cristal, vacíos de nitrógeno, que emiten fluorescencia cuando son alcanzados por la luz láser.

Ajoy explota un isótopo de carbono, el carbono 13 (C-13), que se encuentra de forma natural en las partículas de diamante a una concentración de aproximadamente el 1%. pero también podría enriquecerse aún más reemplazando muchos de los átomos de carbono dominantes, carbono-12. Los núcleos de carbono 13 se alinean más fácilmente, o polarizado, por los centros vacantes cercanos con polarización de espín, que se polarizan al mismo tiempo que fluorescen después de ser iluminados con un láser. Los núcleos C-13 polarizados producen una señal más fuerte para la resonancia magnética nuclear (RMN), la técnica en el corazón de la RM.

Como resultado, Estos diamantes hiperpolarizados se pueden detectar tanto ópticamente, debido a los centros de vacantes de nitrógeno fluorescente, como en radiofrecuencias, debido al carbono 13 polarizado en espín. Esto permite obtener imágenes simultáneas mediante dos de las mejores técnicas disponibles, con un beneficio particular cuando se mira en el interior de los tejidos que dispersan la luz visible.

"Las imágenes ópticas sufren mucho cuando se penetra en tejidos profundos. Incluso más allá de 1 milímetro, obtienes mucha dispersión óptica. Este es un problema importante, ", Dijo Ajoy." La ventaja aquí es que la imagen se puede hacer en radiofrecuencias y luz óptica utilizando el mismo trazador de diamantes. La misma versión de resonancia magnética que usa para obtener imágenes del interior de las personas se puede usar para obtener imágenes de estas partículas de diamante, incluso cuando la firma de fluorescencia óptica está completamente dispersa ".

Detectando espín nuclear

Ajoy se enfoca en mejorar la RMN, una forma muy precisa de identificar moléculas, y su contraparte de imágenes médicas, Resonancia magnética con la esperanza de reducir el costo y reducir el tamaño de las máquinas. Una limitación de la RMN y la RM es tan grande, Se necesitan imanes potentes y costosos para alinear o polarizar los espines nucleares de las moléculas dentro de las muestras o del cuerpo para que puedan ser detectados por pulsos de ondas de radio. Pero los humanos no pueden soportar los campos magnéticos muy altos necesarios para polarizar muchos giros a la vez, lo que proporcionaría mejores imágenes.

Una forma de superar esto es ajustar los espines nucleares de los átomos que desea detectar para que más de ellos estén alineados en la misma dirección, en lugar de al azar. Con más giros alineados, llamada hiperpolarización, la señal detectada por radio es más fuerte, y se pueden utilizar imanes menos potentes.

En sus últimos experimentos, Ajoy empleó un campo magnético equivalente al de un imán de refrigerador barato y un láser verde de bajo costo para hiperpolarizar los átomos de carbono 13 en la red cristalina de los microdiamantes.

"Resulta que si iluminas estas partículas, puedes alinear sus giros a muy, grado muy alto:aproximadamente de tres a cuatro órdenes de magnitud más alto que la alineación de los giros en una máquina de resonancia magnética, ", Dijo Ajoy." En comparación con las resonancias magnéticas hospitalarias convencionales, que utilizan un campo magnético de 1,5 teslas, los carbonos están polarizados efectivamente como si estuvieran en un 1, Campo magnético de 000 teslas ".

Cuando los diamantes se dirigen a sitios específicos en células o tejidos, mediante anticuerpos, por ejemplo, que se utilizan a menudo con trazadores fluorescentes; pueden detectarse tanto mediante imágenes de RMN del C-13 hiperpolarizado como mediante la fluorescencia de los centros vacantes de nitrógeno en el diamante. Los diamantes con centro vacante de nitrógeno ya se están utilizando cada vez más como trazadores solo por su fluorescencia.

"Mostramos una característica interesante importante de estas partículas de diamante, el hecho de que giran polarizados, por lo que pueden brillar mucho en una máquina de resonancia magnética, pero también fluorescen ópticamente, "Dijo." Lo mismo que les otorga la polarización de espín también les permite emitir fluorescencia ópticamente ".

Los trazadores de diamantes también son económicos y relativamente fáciles de trabajar. Dijo Ajoy. Juntos, estos nuevos desarrollos podrían, en el futuro, Permitir una máquina de imágenes de RMN de bajo costo en la mesa de cada químico. Hoy dia, solo los hospitales grandes pueden pagar el precio de un millón de dólares por las resonancias magnéticas. Actualmente está trabajando en otras técnicas para mejorar la RMN y la RMN, incluido el uso de partículas de diamante hiperpolarizadas para hiperpolarizar otras moléculas.