(PhysOrg.com) -- Risonanza magnetica, sviluppato per la prima volta nei primi anni '70, è diventato uno strumento diagnostico standard per il cancro, malattie cardiovascolari e neurologiche, tra gli altri. La risonanza magnetica è ideale per l'imaging medico perché offre uno sguardo tridimensionale senza precedenti all'interno del tessuto vivente senza danneggiarlo. Però, il suo uso negli studi scientifici è stato limitato perché non può visualizzare niente di più piccolo di diversi micrometri cubi.

Ora gli scienziati stanno combinando la capacità 3D della risonanza magnetica con la precisione di una tecnica chiamata microscopia a forza atomica. Questa combinazione consente la visualizzazione 3D di piccoli esemplari come virus, cellule e potenzialmente strutture all'interno delle cellule:un miglioramento di 100 milioni di volte rispetto alla risonanza magnetica utilizzata negli ospedali.

L'anno scorso, Christian Degen, assistente professore di chimica del MIT, e colleghi dell'IBM Almaden Research Center, dove Degen ha lavorato come associato post-dottorato prima di venire al MIT, ha utilizzato quella strategia per costruire il primo dispositivo per la risonanza magnetica in grado di acquisire immagini 3D di virus. Lo scorso fine settimana, il loro articolo che riporta la capacità di acquisire un'immagine MRI di un virus del mosaico del tabacco è stato assegnato il Premio Cozzarelli 2009 dall'Accademia Nazionale delle Scienze, per eccellenza scientifica e originalità nella categoria ingegneria e scienze applicate.

“È di gran lunga la tecnica di imaging MRI più sensibile che sia stata dimostrata, “dice Raffi Budakian, assistente professore di fisica presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, che non faceva parte del gruppo di ricerca.

L'uso della risonanza magnetica su scala nanometrica per rivelare le forme 3D delle molecole biologiche offre un miglioramento significativo rispetto alla cristallografia a raggi X, che è stata la chiave per scoprire la struttura a doppia elica del DNA, ma non si adatta bene alle proteine ​​perché sono difficili da cristallizzare, dice Budakian. "Non c'è davvero nessun'altra tecnica che possa andare molecola per molecola e determinare la struttura, " lui dice. Individuare tali strutture potrebbe aiutare gli scienziati a saperne di più sulle malattie causate da proteine ​​malformate e a identificare migliori bersagli farmacologici.

Questa animazione mostra come la microscopia a risonanza magnetica cattura immagini di piccoli campioni come i virus. Simulazione al computer:Christian Degen

Migliorare con la risonanza magnetica

La risonanza magnetica tradizionale sfrutta i segnali magnetici molto deboli emessi dai nuclei di idrogeno nel campione sottoposto a imaging. Quando un potente campo magnetico viene applicato al tessuto, gli spin magnetici dei nuclei si allineano, generando un segnale abbastanza forte da essere rilevato da un'antenna. Però, gli spin magnetici sono così deboli che è necessario un numero molto elevato di atomi (di solito più di un trilione) per generare un'immagine, e la migliore risoluzione possibile è di circa tre milionesimi di metro (circa la metà del diametro di un globulo rosso).

Nel 1991, il fisico teorico John Sidles ha proposto per primo l'idea di combinare la risonanza magnetica con la microscopia a forza atomica per visualizzare minuscole strutture biologiche. I fisici IBM hanno costruito il primo microscopio basato su tale approccio, microscopia a forza di risonanza magnetica soprannominata (MRFM), nel 1993.

Da allora, ricercatori tra cui Degen e i suoi colleghi IBM hanno migliorato la tecnica al punto da poter produrre immagini 3D con una risoluzione da 5 a 10 nanometri, o miliardesimi di metro. (Un capello umano è di circa 80, 000 nanometri di spessore.)

Con MRFM, il campione da esaminare è attaccato all'estremità di un minuscolo cantilever in silicio (lungo circa 100 milionesimi di metro e largo 100 miliardesimi di metro). Quando una punta magnetica in ferro cobalto si avvicina al campione, gli spin nucleari degli atomi ne vengono attratti e generano una piccola forza sul cantilever. I giri vengono quindi ripetutamente capovolti, facendo oscillare dolcemente il cantilever avanti e indietro con un movimento sincrono. Tale spostamento viene misurato con un raggio laser per creare una serie di immagini 2-D del campione, che vengono combinati per generare un'immagine 3D.

La risoluzione MRFM è quasi altrettanto buona (entro un fattore 10) della risoluzione della microscopia elettronica, la tecnica di imaging più sensibile che i biologi usano oggi. Però, a differenza della microscopia elettronica, MRFM può visualizzare campioni delicati come virus e cellule senza danneggiarli.

Nuovi obiettivi

Degen, che si è interessato a perseguire nuove tecniche di risonanza magnetica dopo aver visto una dimostrazione di microscopio elettronico al college, afferma che il suo lavoro potrebbe aiutare i biologi strutturali a scoprire nuovi bersagli farmacologici per i virus.

“Di solito se vuoi scoprire come funzionano le cose, devi trovare la struttura Altrimenti non sai progettare farmaci, " lui dice. "Stai operando in un punto cieco."

Degen e lo studente laureato in chimica Ye Tao stanno ora costruendo un microscopio MRFM nel seminterrato dell'edificio 2 del MIT. Una volta completato, il microscopio sarà uno dei pochi nel suo genere al mondo. La maggior parte delle parti è a posto e funzionante, ma Degen e Tao devono ancora ottenere l'unità di refrigerazione che raffreddi il sistema appena sopra lo zero assoluto. Il sistema deve essere raffreddato a 50 millikelvin per ridurre al minimo le vibrazioni termiche, che interferiscono con il segnale di spostamento indotto dal magnete del cantilever.

Degen spera di ricevere l'unità di refrigerazione alla fine di maggio o all'inizio di giugno, ma la spedizione potrebbe essere ritardata da una continua carenza di isotopi di elio, necessari per ottenere il raffreddamento necessario. Se tutto va secondo i piani, il microscopio potrebbe generare immagini entro la fine di quest'anno.

Degen e due dei suoi studenti stanno anche perseguendo un altro nuovo approccio alla risonanza magnetica su nanoscala. Questo approccio utilizza la fluorescenza invece del magnetismo per i campioni di immagine. Il loro nuovo microscopio sostituisce la punta magnetica con un diamante che ha un difetto nella sua struttura cristallina. Il difetto, noto come difetto di vacanza di azoto, funziona come un sensore perché la sua intensità di fluorescenza è alterata dalle interazioni con gli spin magnetici. Questa configurazione non deve essere raffreddata, in modo che i campioni possano essere visualizzati a temperatura ambiente.