Quando medici o scienziati vogliono scrutare nei tessuti viventi, c'è sempre un compromesso tra quanto in profondità possono sondare e quanto può ottenere un'immagine chiara.

Con microscopi ottici, i ricercatori possono vedere strutture a risoluzione submicronica all'interno di cellule o tessuti, ma solo fino a un millimetro o in modo che la luce possa penetrare senza disperdersi. La risonanza magnetica (MRI) utilizza frequenze radio che possono raggiungere qualsiasi parte del corpo, ma la tecnica fornisce una bassa risoluzione, circa un millimetro, o 1, 000 volte peggio della luce.

Un ricercatore dell'Università della California-Berkeley ha ora dimostrato che microscopici traccianti di diamanti possono fornire informazioni tramite risonanza magnetica e fluorescenza ottica contemporaneamente, potenzialmente consentendo agli scienziati di ottenere immagini di alta qualità fino a un centimetro sotto la superficie del tessuto, 10 volte più profondo della sola luce.

Utilizzando due modalità di osservazione, la tecnica potrebbe anche consentire un imaging più veloce.

La tecnica sarebbe utile principalmente per studiare cellule e tessuti al di fuori del corpo, sondare sangue o altri fluidi per i marcatori chimici della malattia, o per studi fisiologici sugli animali.

"Questa è forse la prima dimostrazione che lo stesso oggetto può essere ripreso in ottica e risonanza magnetica iperpolarizzata contemporaneamente, " ha detto Ashok Ajoy, UC Berkeley assistente professore di chimica. "Ci sono molte informazioni che puoi ottenere in combinazione, perché i due modi sono migliori della somma delle loro parti. Questo apre molte possibilità, dove è possibile accelerare l'imaging di questi traccianti di diamanti in un mezzo di diversi ordini di grandezza."

La tecnica, che Ajoy e i suoi colleghi riportano questa settimana sul giornale Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , utilizza un tipo relativamente nuovo di tracciante biologico:microdiamanti che hanno avuto alcuni dei loro atomi di carbonio espulsi e sostituiti da azoto, lasciando dietro di sé punti vuoti nel cristallo, posti vacanti di azoto, che diventano fluorescenti quando vengono colpiti dalla luce laser.

Ajoy sfrutta un isotopo del carbonio, il carbonio-13 (C-13), che si trova naturalmente nelle particelle di diamante a una concentrazione di circa l'1%, ma potrebbe anche essere ulteriormente arricchito sostituendo molti degli atomi di carbonio dominanti, carbonio-12. I nuclei di carbonio-13 sono più facilmente allineati, o polarizzato, dai vicini centri vacanti spin polarizzati, che si polarizzano nello stesso momento in cui diventano fluorescenti dopo essere stati illuminati con un laser. I nuclei polarizzati C-13 producono un segnale più forte per la risonanza magnetica nucleare (NMR), la tecnica al centro della risonanza magnetica.

Di conseguenza, questi diamanti iperpolarizzati possono essere rilevati sia otticamente, a causa dei centri vacanti di azoto fluorescente, sia alle radiofrequenze, a causa del carbonio 13 spin-polarizzato. Ciò consente l'imaging simultaneo con due delle migliori tecniche disponibili, con particolare beneficio quando si guarda in profondità all'interno dei tessuti che diffondono la luce visibile.

"L'imaging ottico soffre molto quando si entra nei tessuti profondi. Anche oltre 1 millimetro, ottieni un sacco di dispersione ottica. Questo è un grosso problema, " Ajoy ha detto. "Il vantaggio qui è che l'imaging può essere eseguito in frequenze radio e luce ottica utilizzando lo stesso tracciante di diamante. La stessa versione della risonanza magnetica che usi per l'imaging all'interno delle persone può essere utilizzata per l'imaging di queste particelle di diamante, anche quando la firma della fluorescenza ottica è completamente dispersa."

Rilevare lo spin nucleare

Ajoy si concentra sul miglioramento della risonanza magnetica nucleare, un modo molto preciso di identificare le molecole, e sulla sua controparte di imaging medico, risonanza magnetica, nella speranza di abbassare i costi e ridurre le dimensioni delle macchine. Una limitazione di NMR e MRI è che grande, sono necessari magneti potenti e costosi per allineare o polarizzare gli spin nucleari delle molecole all'interno dei campioni o del corpo in modo che possano essere rilevati da impulsi di onde radio. Ma gli umani non possono sopportare i campi magnetici molto elevati necessari per ottenere molti spin polarizzati contemporaneamente, che fornirebbe immagini migliori.

Un modo per superare questo problema è modificare gli spin nucleari degli atomi che si desidera rilevare in modo che più di essi siano allineati nella stessa direzione, invece che casualmente. Con più giri allineati, chiamata iperpolarizzazione, il segnale rilevato via radio è più forte, e si possono usare magneti meno potenti.

Nei suoi ultimi esperimenti, Ajoy ha impiegato un campo magnetico equivalente a quello di un economico magnete da frigorifero e un economico laser verde per iperpolarizzare gli atomi di carbonio-13 nel reticolo cristallino dei microdiamanti.

"Si scopre che se fai luce su queste particelle, puoi allineare i loro giri a un molto, grado molto elevato:circa tre o quattro ordini di grandezza superiore all'allineamento degli spin in una macchina per la risonanza magnetica, " ha detto Ajoy. "Rispetto alle risonanze magnetiche ospedaliere convenzionali, che utilizzano un campo magnetico di 1,5 tesla, i carboni sono polarizzati efficacemente come se fossero in un 1, campo magnetico di 000 tesla."

Quando i diamanti sono mirati a siti specifici nelle cellule o nei tessuti, da anticorpi, Per esempio, che vengono spesso utilizzati con traccianti fluorescenti:possono essere rilevati sia dall'imaging NMR del C-13 iperpolarizzato che dalla fluorescenza dei centri vacanti di azoto nel diamante. I diamanti del centro vacante di azoto stanno già diventando più ampiamente utilizzati come traccianti solo per la loro fluorescenza.

"Mostriamo un'importante caratteristica interessante di queste particelle di diamante, il fatto che ruotino polarizzano, quindi possono brillare molto intensamente in una macchina per la risonanza magnetica, ma emettono anche fluorescenza otticamente, " ha detto. "La stessa cosa che li dota con la polarizzazione di spin consente anche loro di fluorescenza otticamente".

I traccianti di diamanti sono anche economici e relativamente facili da lavorare, ha detto Ajoy. Insieme, questi nuovi sviluppi potrebbero, nel futuro, consentire una macchina di imaging NMR economica sul banco di ogni farmacia. Oggi, solo i grandi ospedali possono permettersi il cartellino del prezzo di un milione di dollari per la risonanza magnetica. Attualmente sta lavorando su altre tecniche per migliorare la risonanza magnetica e la risonanza magnetica, compreso l'uso di particelle di diamante iperpolarizzate per iperpolarizzare altre molecole.