Credito:Colorado State University
La tecnica non invasiva e salvavita nota come risonanza magnetica funziona allineando gli atomi di idrogeno in un forte campo magnetico e pulsando onde a radiofrequenza per convertire la risposta di quegli atomi in un'immagine.
Il campo di provenienza della risonanza magnetica, si potrebbe sostenere, è la chimica:la risonanza magnetica funziona sfruttando le proprietà magnetiche intrinseche dei singoli atomi. E se, invece di creare immagini, una macchina per la risonanza magnetica potesse estrarre informazioni dettagliate sulla chimica del corpo, ad esempio i livelli di pH in prossimità di un tumore o le anomalie di temperatura che si verificano intorno a una lesione? E se i principi fisici dell'imaging magnetico potessero essere applicati a tutti i tipi di cambiamenti chimici, fino al livello di atomi e molecole, e potessero darci nuove ineguagliabili intuizioni sulla salute e sulle malattie umane?
Queste domande "e se" guidano il lavoro del Professore Associato del Dipartimento di Chimica Joseph Zadrozny e del suo team di studenti e ricercatori. Un chimico inorganico che segna il confine tra chimica e fisica quantistica, Zadrozny ha costruito un laboratorio presso la Colorado State University il cui obiettivo principale è progettare molecole che consentano alla risonanza magnetica di fare cose che attualmente non possono. In tal modo, i ricercatori stanno scoprendo informazioni fondamentali su come le proprietà magnetiche delle molecole contenenti ioni metallici rispondono al loro ambiente, indipendentemente dal fatto che ciò significhi variazioni estremamente piccole di temperatura, pH o altri parametri.
"Viviamo, respiriamo, parliamo di reattori chimici", ha detto Zadrozny. "Se potessi immaginare quella chimica, sarebbe davvero potente."
Struttura cristallina della molecola di cobalto creata dai ricercatori. L'atomo di cobalto blu centrale funge da sonda di temperatura altamente sensibile. Credito:Colorado State University
Nucleo che agisce come un elettrone
In una svolta verso il loro obiettivo di realizzare nuove sonde per immagini magnetiche con un'estrema sensibilità alla temperatura, il team di Zadrozny ha pubblicato un articolo nel Journal of the American Chemical Society che descrive una molecola a base di cobalto che hanno progettato per essere un termometro chimico non invasivo. Hanno usato la loro esperienza nella progettazione molecolare per fare in modo che lo spin nucleare del complesso di cobalto, un cavallo di battaglia, una proprietà magnetica fondamentale, imiti la sensibilità agile, ma meno stabile, dello spin di un elettrone. "Spin" è ciò che conferisce alle particelle subatomiche il loro magnetismo.
Facendo in modo che il nucleo di cobalto agisca essenzialmente come un elettrone, hanno dimostrato che questo speciale complesso di cobalto potrebbe un giorno formare la base per una potente sonda di imaging molecolare in grado di leggere variazioni di temperatura estremamente sottili all'interno del corpo. L'immaginazione potrebbe scatenarsi su come utilizzare questo fenomeno:i medici potrebbero rilevare i minimi sbalzi di temperatura attorno a un tumore ancora invisibile. Una procedura di ablazione termica in studio potrebbe assumere una precisione a livello molecolare, uccidendo il tessuto malato evitando il tessuto sano.
Creando una sonda di rilevamento della temperatura con il materiale di cobalto, che in uno studio medico potrebbe un giorno essere iniettato o ingerito per comunicare i segnali di temperatura dal corpo,
sfrutterebbe il magnetismo controllabile di un nucleo. Avrebbe anche la proprietà desiderabile di leggere le informazioni tramite onde a radiofrequenza, che sono sicure per il corpo umano o animale. Una tale sonda magnetica funzionerebbe anche a temperatura ambiente, prevedono i ricercatori.
L'uso delle proprietà magnetiche degli elettroni rotanti, un'area di studio popolare per i fisici che cercano di realizzare computer quantistici, è meno ideale per l'imaging biomedico. Un motivo:sfruttare il magnetismo degli elettroni richiede le microonde, che sono pericolose per l'uomo (immagina di aver bisogno di essere scaldate al microonde per ottenere una risonanza magnetica). Né tali sonde a base di elettroni funzionerebbero a temperatura ambiente:dovrebbero essere molto più fredde.
I ricercatori Ökten Üngör e Tyler Ozvat con lo strumento di risonanza magnetica nucleare hanno usato per misurare la molecola di cobalto. Credito:Colorado State University
Esperimenti di risonanza magnetica nucleare
Per eseguire i loro esperimenti, il team di Zadrozny guidato dal ricercatore post-dottorato Ökten Üngör ha progettato la molecola di cobalto e ne ha testato la sensibilità alla temperatura utilizzando uno spettrometro a risonanza magnetica nucleare da 500 megahertz situato nel CSU Analytical Resources Core. L'ARC è una struttura condivisa gestita dal vicepresidente per la ricerca situata nell'edificio della chimica che consente ai ricercatori di tutto il campus di condurre ricerche tramite una strumentazione analitica all'avanguardia.
"Abbiamo dimostrato, tramite esperimenti di risonanza magnetica nucleare, che la sensibilità ha superato di ordini di grandezza molecole comparabili", ha affermato Üngör.
Una vasta gamma di applicazioni potrebbe essere in serbo per la molecola di cobalto dei ricercatori. "La chimica attorno all'atomo di cobalto è altamente sintonizzabile e possiamo controllarla a un livello elevato", ha detto Üngör. "Non solo questo lavoro si mostra promettente nel campo medicinale, ma i passaggi e la teoria di base potrebbero portare a passi avanti nel regno dell'informatica quantistica. Potremmo trovare ancora più applicazioni mentre continuiamo la nostra ricerca".
Il team potrebbe quindi esplorare il design migliorato della sonda di imaging a base di cobalto per renderla più stabile in soluzione acquosa. Per ora, la sensibilità alla temperatura del materiale è sbalorditiva, ma la molecola non è abbastanza robusta per sopravvivere a lungo nel corpo, cosa che sarebbe necessaria in un'applicazione medica. + Esplora ulteriormente
