La risonanza magnetica (MRI) è già ampiamente utilizzata in medicina per scopi diagnostici. La risonanza magnetica iperpolarizzata è uno sviluppo più recente e il suo potenziale di ricerca e applicazione deve ancora essere completamente esplorato. I ricercatori della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e dell'Helmholtz Institute Mainz (HIM) hanno ora svelato una nuova tecnica per osservare i processi metabolici nel corpo. Il loro metodo MRI a contrasto singoletto impiega paraidrogeno di facile produzione per monitorare i processi biochimici in tempo reale. I risultati del loro lavoro sono stati pubblicati in Angewandte Chemie Edizione Internazionale e scelto dalla redazione come "carta calda", cioè., una pubblicazione importante in un campo in rapido sviluppo e molto significativo.

Negli ultimi decenni, è diventata una pratica standard utilizzare la risonanza magnetica per gli esami medici. Può essere utilizzato per studiare i tessuti molli del corpo come il cervello, dischi intervertebrali, e persino la formazione di tumori. "Le immagini della risonanza magnetica possono mostrarci la struttura del cervello, Per esempio, ma non ci dicono nulla sui processi biomolecolari che avvengono nel corpo, in parte a causa della scarsa sensibilità della risonanza magnetica, " ha detto il dottor James Eills, primo autore dello studio e membro del gruppo di lavoro guidato dal professor Dmitry Budker presso JGU e HIM.

Utilizzo di atomi di idrogeno invece di isotopi di carbonio o azoto

Un modo per migliorare significativamente i segnali MRI è l'iperpolarizzazione. Ciò consente di ottenere un allineamento significativo degli spin nucleari che generano il segnale con l'aiuto di un campo magnetico esterno. La risonanza magnetica potenziata dall'iperpolarizzazione è già utilizzata per studiare i processi biomolecolari nel corpo; Sfortunatamente, l'uso dell'isotopo di carbonio C-13 o dell'isotopo di azoto N-15 è associato a determinati svantaggi. "Sarebbe quindi di notevole beneficio se potessimo usare direttamente gli atomi di idrogeno. L'idrogeno ha una maggiore sensibilità, è più abbondante, e l'attrezzatura di rilevamento è prontamente disponibile, " ha dichiarato Eills. Un inconveniente di idrogeno, però, è il suo tempo di rilassamento rapido. Ciò significa che gli atomi iperpolarizzati ritornano al loro stato originale così rapidamente che è difficile generare immagini.

Il dottor James Eills e i suoi colleghi hanno affrontato questo problema utilizzando uno speciale stato quantico dei nuclei di idrogeno chiamato stato singoletto, che deriva dal cosiddetto paraidrogeno. "Ciò significa che siamo stati in grado di superare gli svantaggi dell'imaging di protoni iperpolarizzati, in particolare quelli relativi al breve tempo di relax, " ha spiegato Eills. Mentre l'idrogeno di solito ha un tempo di rilassamento di pochi secondi, questo può essere minuti nel caso di stati singoletto. Lo stato singoletto è anche non magnetico e quindi non può essere osservato. Può essere osservato solo quando la molecola non è più simmetrica.

Quando si usa fumarato, il metabolismo innesca l'iperpolarizzazione

Nello studio in discussione, gli scienziati descrivono la loro tecnica per la risonanza magnetica a contrasto singoletto utilizzando fumarato, una biomolecola presente in natura come prodotto intermedio del metabolismo. Primo, fumarato è prodotto da una molecola precursore e paraidrogeno. Il fumarato iperpolarizzato viene convertito in malato mediante l'aggiunta di una molecola di acqua pesante. Questa conversione elimina la simmetria della molecola, rendendolo magnetico e rilevabile. "Poi possiamo usare i segnali magnetici associati per l'imaging, " ha sottolineato il dottor James Eills.

Il fumarato marcato con carbonio-13 è già una molecola che svolge un ruolo significativo nell'imaging iperpolarizzato. Questo lavoro apre la possibilità di eseguire l'imaging del fumarato con tutti i vantaggi dell'osservazione dell'idrogeno piuttosto che del cabon-13. Inoltre, l'uso del paraidrogeno sarebbe vantaggioso anche per il fatto che può essere facilmente prodotto:il gas idrogeno viene semplicemente raffreddato in presenza di un catalizzatore, che viene poi rimosso. Il paraidrogeno risultante può quindi essere riscaldato e rimane stabile nello stato para per mesi.

"La risonanza magnetica iperpolarizzata è nelle prime fasi del suo sviluppo, e il nostro contributo è una nuova entusiasmante variante di risonanza magnetica, " ha concluso Eills. È possibile registrare immagini del segnale iperpolarizzato in diversi momenti nel tempo, che consente il monitoraggio in tempo reale dei processi metabolici.

"La combinazione di polarizzazione indotta da paraidrogeno con stati di spin di lunga durata e conversione enzimatica apre finalmente la porta a una risonanza magnetica efficiente in termini di costi di fumarato e marcatori tumorali simili nel metabolismo del cancro, " ha aggiunto il professor Gerd Buntkowsky, capo del gruppo di chimica fisica della materia condensata alla TU Darmstadt e corrispondente autore del lavoro.