(PhysOrg.com) - Imágenes por resonancia magnética, desarrollado por primera vez a principios de la década de 1970, se ha convertido en una herramienta de diagnóstico estándar para el cáncer, enfermedades cardiovasculares y trastornos neurológicos, entre otros. La resonancia magnética es ideal para imágenes médicas porque ofrece una visión tridimensional incomparable del interior del tejido vivo sin dañar el tejido. Sin embargo, su uso en estudios científicos ha sido limitado porque no puede obtener imágenes de nada más pequeño que varios micrómetros cúbicos.

Ahora los científicos están combinando la capacidad tridimensional de la resonancia magnética con la precisión de una técnica llamada microscopía de fuerza atómica. Esta combinación permite la visualización en 3-D de pequeñas muestras como virus, células y potencialmente estructuras dentro de las células:una mejora de 100 millones de veces con respecto a la resonancia magnética utilizada en los hospitales.

El año pasado, Christian Degen, Profesor asistente de química del MIT, y colegas del IBM Almaden Research Center, donde Degen trabajó como asociado postdoctoral antes de llegar al MIT, usó esa estrategia para construir el primer dispositivo de resonancia magnética que puede capturar imágenes tridimensionales de virus. Fin de semana pasado, su artículo que informa sobre la capacidad de tomar una imagen de resonancia magnética de un virus del mosaico del tabaco fue galardonado con el Premio Cozzarelli 2009 de la Academia Nacional de Ciencias, por excelencia científica y originalidad en la categoría de ingeniería y ciencias aplicadas.

"Es, con mucho, la técnica de imágenes de resonancia magnética más sensible que se ha demostrado, "Dice Raffi Budakian, profesor asistente de física en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, que no formaba parte del equipo de investigación.

El uso de resonancia magnética a nanoescala para revelar las formas tridimensionales de moléculas biológicas ofrece una mejora significativa sobre la cristalografía de rayos X, que fue clave para descubrir la estructura de doble hélice del ADN, pero no se adapta bien a las proteínas porque son difíciles de cristalizar, dice Budakian. "Realmente no existe otra técnica que pueda ir molécula por molécula y determinar la estructura, " él dice. Descubrir tales estructuras podría ayudar a los científicos a aprender más sobre las enfermedades causadas por proteínas mal formadas e identificar mejores objetivos de fármacos.

Esta animación muestra cómo la microscopía de resonancia de fuerza magnética captura imágenes de muestras diminutas, como virus. Simulación por computadora:Christian Degen

Mejorando la resonancia magnética

La resonancia magnética tradicional se aprovecha de las señales magnéticas muy débiles emitidas por los núcleos de hidrógeno en la muestra de la que se toman imágenes. Cuando se aplica un potente campo magnético al tejido, los espines magnéticos de los núcleos se alinean, generando una señal lo suficientemente fuerte como para que una antena la detecte. Sin embargo, los giros magnéticos son tan débiles que se necesita una gran cantidad de átomos (generalmente más de un billón) para generar una imagen, y la mejor resolución posible es aproximadamente tres millonésimas de metro (aproximadamente la mitad del diámetro de un glóbulo rojo).

En 1991, El físico teórico John Sidles propuso por primera vez la idea de combinar la resonancia magnética con la microscopía de fuerza atómica para obtener imágenes de estructuras biológicas diminutas. Los físicos de IBM construyeron el primer microscopio basado en ese enfoque, microscopía de fuerza de resonancia magnética apodada (MRFM), en 1993.

Desde entonces, investigadores como Degen y sus colegas de IBM han mejorado la técnica hasta el punto en que puede producir imágenes en 3-D con una resolución tan baja como de cinco a 10 nanómetros, o mil millonésimas de metro. (Un cabello humano tiene alrededor de 80, 000 nanómetros de espesor.)

Con MRFM, la muestra a examinar está unida al extremo de un diminuto voladizo de silicio (aproximadamente 100 millonésimas de metro de largo y 100 billonésimas de metro de ancho). Cuando una punta de cobalto de hierro magnético se acerca a la muestra, los espines nucleares de los átomos se sienten atraídos por él y generan una pequeña fuerza en el voladizo. Luego, los giros se voltean repetidamente, haciendo que el voladizo se balancee suavemente hacia adelante y hacia atrás en un movimiento sincrónico. Ese desplazamiento se mide con un rayo láser para crear una serie de imágenes 2-D de la muestra, que se combinan para generar una imagen tridimensional.

La resolución de MRFM es casi tan buena (con un factor de 10) como la resolución de la microscopía electrónica, la técnica de imagen más sensible que utilizan los biólogos en la actualidad. Sin embargo, a diferencia de la microscopía electrónica, MRFM puede obtener imágenes de muestras delicadas como virus y células sin dañarlas.

Nuevos objetivos

Degen, que se interesó en seguir nuevas técnicas de resonancia magnética después de ver una demostración de microscopio electrónico en la universidad, dice que su trabajo podría ayudar a los biólogos estructurales a descubrir nuevos objetivos farmacológicos para los virus.

"Por lo general, si quieres saber cómo funcionan las cosas, tienes que encontrar la estructura. De lo contrario, no sabrá cómo diseñar medicamentos, " él dice. "Estás operando en un punto ciego".

Degen y el estudiante graduado de química Ye Tao están construyendo un microscopio MRFM en el sótano del Edificio 2 del MIT. Cuando esté terminado, el microscopio será uno de los pocos de su tipo en el mundo. La mayoría de las piezas están en su lugar y funcionando, pero Degen y Tao aún necesitan obtener la unidad de refrigeración que enfriará el sistema justo por encima del cero absoluto. El sistema debe enfriarse a 50 milikelvins para minimizar las vibraciones térmicas, que interfieren con la señal de desplazamiento inducida por el imán del voladizo.

Degen espera recibir la unidad de refrigeración a finales de mayo o principios de junio, pero el envío podría retrasarse por una escasez constante de isótopos de helio, que se requieren para lograr el enfriamiento necesario. Si todo va de acuerdo al plan, el microscopio podría estar generando imágenes a finales de este año.

Degen y dos de sus estudiantes también están siguiendo otro nuevo enfoque para la resonancia magnética a nanoescala. Este enfoque utiliza fluorescencia en lugar de magnetismo para obtener imágenes de las muestras. Su nuevo microscopio reemplaza la punta magnética con un diamante que tiene un defecto en su estructura cristalina. El defecto conocido como defecto de vacancia de nitrógeno, funciona como un sensor porque su intensidad de fluorescencia se ve alterada por interacciones con espines magnéticos. Esta configuración no tiene que enfriarse, por lo que las muestras se pueden obtener imágenes a temperatura ambiente.