I ricercatori dell'Università di Melbourne hanno sviluppato una tecnica che potrebbe aumentare la sensibilità della risonanza magnetica (MRI) per la diagnosi del paziente.

La nuova tecnica funziona aumentando la forza del campo magnetico prodotto dalle molecole, e quindi aumentando il loro segnale quando misurato dalla risonanza magnetica.

Il team ha progettato difetti specifici nei cristalli di diamante che esercitano un'influenza meccanica quantistica controllata sugli spin nucleari nelle molecole vicine, compresi potenzialmente quelli utilizzati nell'imaging metabolico dei tumori cerebrali, facendoli 'allineare' (polarizzare) in un orientamento specifico.

Questo stato iperpolarizzato degli spin nucleari è altamente ordinato e aumenta il campo magnetico che può essere rilevato da tecniche come la risonanza magnetica.

È la prima volta che questa polarizzazione dei nuclei molecolari viene mostrata utilizzando una sonda quantistica a base di diamante.

Il ricercatore della School of Physics dell'Università di Melbourne, il professor Lloyd Hollenberg, ha guidato il gruppo di ricerca, con il lavoro pubblicato su Comunicazioni sulla natura .

Professor Hollenberg, che è vicedirettore di CQC2T e cattedra Thomas Baker presso l'Università di Melbourne, ha affermato che i migliori scanner MRI al mondo stanno ora raggiungendo il campo magnetico massimo che può essere tollerato dal corpo umano mentre la tecnologia si sforza di ottenere una maggiore sensibilità.

"I magneti superconduttori che producono questi campi sono anche la ragione per cui gli scanner MRI costano milioni di dollari, poiché i magneti devono essere mantenuti a temperature criogeniche, "Ha detto il professor Hollenberg.

"Chiaramente è necessario un approccio dirompente, quindi cerchiamo di utilizzare la tecnologia quantistica per produrre una maggiore intensità del segnale di determinati bersagli molecolari a livello atomico".

Il dottorando dell'Università di Melbourne David Broadway ha affermato che la tecnica ha funzionato utilizzando un magnete da frigorifero e un po' di meccanica quantistica a livello atomico.

"Possiamo pensare ai nuclei dell'atomo come l'ago di una bussola che produce un campo magnetico che dipende dal suo orientamento, "Disse il signor Broadway.

"Quando ci sono diversi aghi della bussola che puntano in direzioni diverse, il campo risultante tende a fare la media a zero, ma quando le bussole puntano tutte nella stessa direzione, i contributi al campo di ciascun ago della bussola si sommano a qualcosa di misurabile, " Egli ha detto.

"Quindi avere i nuclei tutti allineati rende il campo magnetico più forte e quindi la lettura della risonanza magnetica può raccogliere maggiori dettagli.

"Attualmente, Le risonanze magnetiche possono ottenere circa uno su un milione di rotazioni nucleari da allineare, considerando che il nostro metodo potrebbe raggiungere quasi il 100% per allinearsi all'interno delle molecole, potenzialmente migliorando la sensibilità delle immagini di ordini di grandezza."

I diamanti modificati potrebbero essere usati per costruire un chip di "iperpolarizzazione quantistica", su cui potrebbe essere fatto fluire un agente di contrasto molecolare bersaglio. L'interazione quantomeccanica tra il bersaglio e le sonde quantistiche è sfruttata per trasferire la polarizzazione dal diamante all'agente, che potrebbe essere iniettato, o inalato da, un paziente prima della risonanza magnetica. L'agente mantiene la sua polarizzazione abbastanza a lungo da, Per esempio, viaggiare in un sito di tumore, rendendo più facile l'immagine attraverso la risonanza magnetica.

Il ricercatore post-dottorato, il dottor Liam Hall, ha affermato che la medicina di precisione basata sulla risonanza magnetica utilizza già questo tipo di imaging, ma il costo dell'infrastruttura richiesta può competere con quello degli scanner MRI stessi.

"Inoltre, utilizzeremmo solo la luce irradiata attraverso i diamanti nella produzione quantomeccanica di agenti di contrasto polarizzati già approvati per l'uso di routine. Quindi niente di tossico entrerebbe nel corpo, " ha detto il dottor Hall.

"La tecnica è scaturita dal nostro lavoro nello sviluppo della tecnologia di rilevamento quantistico, e la consapevolezza che queste sonde quantistiche a base di diamante possono esercitare una potente influenza sugli spin nucleari circostanti quando ottimizziamo le condizioni in cui "parlano" direttamente tra loro", disse il dottor Hall, che ha elaborato il concetto teorico.

"In un senso, la sonda quantistica estrae il disordine di spin casuale dalla molecola bersaglio ("calda") per produrre uno stato allineato allo spin ("freddo") ordinato. Il potenziale per l'applicazione nell'iperpolarizzazione per la risonanza magnetica è diventato presto chiaro".

La potenza della tecnica quantistica è manifestata dalla dimostrazione sperimentale.

Il professor Hollenberg ha detto:"Per contestualizzare, raggiungere lo stesso livello di polarizzazione con un approccio convenzionale, dovremmo aumentare il campo magnetico di un fattore di circa 100, 000 volte, e troverai campi del genere solo in una stella di neutroni."

Le tecniche per l'iperpolarizzazione degli spin nucleari potrebbero avere una serie di importanti applicazioni nelle scienze fisiche e della vita.

I metaboliti iperpolarizzati possono essere iniettati nei pazienti e viaggeranno verso i siti tumorali e dove potranno essere monitorati in tempo reale utilizzando la risonanza magnetica mentre vengono metabolizzati; e i gas iperpolarizzati possono essere inalati per l'imaging MRI dei polmoni e della loro funzione. Entrambe queste tecniche hanno ruoli centrali da svolgere nell'era nascente della medicina personalizzata.

L'iperpolarizzazione delle molecole bersaglio aumenta anche al rapporto segnale/rumore della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) ad alta risoluzione, rendendolo uno strumento importante per lo studio di sistemi biomolecolari complessi.

"Chiaramente il prossimo passo, su cui siamo fortemente concentrati, è ripetere questo processo utilizzando array ingegnerizzati di dimensioni macroscopiche di queste sonde quantistiche in diamante per aumentare questa tecnologia, "Ha detto il professor Hollenberg.

"Più sonde equivalgono a più polarizzazione e più molecole di agente di contrasto prodotte, ma le sonde iniziano a sconvolgersi l'un l'altra meccanicamente se sono ammassate troppo da vicino, quindi dobbiamo trovare il giusto equilibrio, .

"Se possiamo spuntare quella casella, possiamo quindi pensare alla polarizzazione dei volumi di agenti di contrasto per risonanza magnetica rilevabili dagli scanner per risonanza magnetica trovati nei laboratori di ricerca e negli ospedali".