En la ciencia, Muchos de los eventos más interesantes ocurren a una escala mucho menor de la que puede ver el ojo humano sin ayuda. Los investigadores médicos podrían darse cuenta de una variedad de avances si pudieran mirar profundamente dentro de las células biológicas vivas, pero los métodos existentes para la obtención de imágenes carecen de la sensibilidad y resolución deseadas o requieren condiciones que conducen a la muerte celular, como las temperaturas criogénicas. Recientemente, sin embargo, un equipo de investigadores dirigidos por la Universidad de Harvard que trabaja en el programa de lectura y detección asistida cuántica (QuASAR) de DARPA demostró imágenes de estructuras magnéticas dentro de células vivas. Utilizando equipo operado a temperatura y presión ambiente, el equipo pudo mostrar detalles de hasta 400 nanómetros, que es aproximadamente del tamaño de dos virus del sarampión. Para una sensación de escala, ver:learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/scale/.

La técnica del equipo de Harvard QuASAR se describe en un Naturaleza artículo titulado "Imágenes ópticas magnéticas de células vivas". Esencialmente, Los investigadores utilizaron imperfecciones en el diamante conocidas como centros de color de vacantes de nitrógeno (NV) para funcionar como sondas de alta precisión de los campos magnéticos producidos por bacterias magnetotácticas vivas, organismos que contienen nanopartículas magnéticas. Usando una matriz de estos centros de color NV diseñados en puntos específicos y densidad dentro de un chip de diamante, los investigadores pudieron localizar las estructuras magnéticas en cada bacteria y construir imágenes de los campos magnéticos que producían.

Los hallazgos del equipo tienen varias aplicaciones potenciales y podrían conducir a áreas de estudio adicionales:

• En principio, esta técnica permitiría detallar, observación en tiempo real de los procesos celulares internos, como la muerte celular, evolución y división, y cómo las células se ven afectadas por la enfermedad.
• Las medidas de los investigadores son directamente aplicables al estudio de la formación de nanopartículas magnéticas en otros organismos, que es de interés para la mejora del contraste en la resonancia magnética (MRI), y se ha relacionado con trastornos neurodegenerativos.
• Se ha propuesto la formación de nanopartículas magnéticas como mecanismo de navegación magnética en organismos superiores.

En un desarrollo relacionado, dos equipos separados de investigadores de QuASAR, dirigido por la Universidad de Stuttgart en Alemania y el Centro de Investigación de Almaden de IBM, desarrolló un magnetómetro a nanoescala que permite la obtención de imágenes por resonancia magnética (IRM) con resolución suficiente para medir tan solo 10, 000 protones en un volumen de solo 125 nanómetros cúbicos, que se acerca al nivel de moléculas de proteínas individuales. Tecnologías de resonancia magnética anteriores, incluso cuando se estiran hasta sus límites, no han permitido una resolución más allá de unos pocos micrómetros debido a factores distorsionantes como el ruido magnético de fondo. La nueva técnica de los equipos QuASAR, apodado nano-resonancia magnética, supera esta limitación mediante el uso de un único centro de color NV incrustado cerca de la superficie de un chip de diamante para medir las señales de resonancia magnética nuclear. Se puede utilizar para medir el campo magnético en un solo punto de una estructura, o escanee la superficie para obtener una imagen de la estructura midiendo varios puntos. El trabajo se describe en dos artículos en el 1 de febrero, Edición 2013 de Ciencias :"Resonancia magnética nuclear a nanoescala con un sensor de rotación de vacío de nitrógeno" y "www.sciencemag.org/content/339/6119/561"> Espectroscopia de resonancia magnética nuclear en un (5 nanómetros) ³ Volumen de la muestra."

La tecnología nano-MRI ofrece el beneficio adicional de trabajar a temperatura ambiente, eliminando la necesidad de costosos equipos criogénicos. En cambio, La resonancia magnética tradicional utiliza maquinaria voluminosa que con frecuencia requiere enfriamiento criogénico.

El trabajo de la Universidad de Stuttgart e IBM en QuASAR podría ofrecer una gama de beneficios y capacidades médicos futuros:

• Apoyar el desarrollo futuro de fármacos facilitando una mayor comprensión de la estructura de las proteínas.
• Habilitar detallado, mapeo tridimensional de moléculas biológicas, con suficiente sensibilidad para identificar elementos específicos. Esta información podría agilizar la evaluación de fármacos inhibidores contra virus naturales y de bioingeniería.
• Habilite la medición del campo magnético de las neuronas encendidas.

"En QuASAR estamos construyendo sensores que aprovechan la extrema precisión y el control de la física atómica. Esperamos que estas novedosas herramientas de medición puedan proporcionar nuevas capacidades a las comunidades científicas y operativas más amplias, "dijo Jamil Abo-Shaeer, Gerente del programa DARPA. "El trabajo que están haciendo estos equipos para aplicar la medición asistida cuántica a las imágenes biológicas podría beneficiar los esfuerzos del Departamento de Defensa para desarrollar fármacos y terapias especializadas". y potencialmente apoyar el trabajo de DARPA para comprender mejor cómo funciona el cerebro humano ".

Los tres esfuerzos se llevaron a cabo como investigación básica. El trabajo futuro puede incluir intentos de:aumentar la sensibilidad de los dispositivos de medición acercándolos aún más a los organismos que se van a medir; incrustar nano-diamantes con centros NV en células vivas para estudios in vitro para medir campos magnéticos y temperatura; y permitir la obtención de imágenes de campo magnético asistido por NV de biomoléculas etiquetadas.