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The Diamond Revolution in Hyperpolarized MR Imaging – Novel Platform and Nanoparticle Targeted Probe

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La risonanza magnetica iperpolarizzata è destinata a rivoluzionare la diagnostica per immagini

La risonanza magnetica per immagini è una forma potente di diagnostica per immagini, che però rivela dei limiti. Un progetto finanziato dall’UE si sta avvalendo delle proprietà quantistiche innate dei diamanti per superare i confini della tecnologia, contenendo al tempo stesso i costi.

Salute

I progressi nelle tecniche di diagnostica per immagini hanno permesso a scienziati e personale medico di osservare i processi che avvengono all’interno del corpo con crescente e straordinaria chiarezza. I metodi di imaging molecolare non invasivi, quali la risonanza magnetica per immagini (RMI) sono diventati di utilizzo diffuso per la gestione di pazienti oncologici, in ambito di ricerca medica e delle scienze della vita, nonché nella scoperta e nello sviluppo dei farmaci. «Molti atomi del nostro organismo presentano una firma del momento magnetico nucleare: in parole povere, agiscono come un piccolo magnete a barra e la RMI rileva il campo magnetico da essi creato. Non possiamo cambiare la potenza di questi momenti magnetici, ma possiamo cercare di organizzarli tutti in parallelo in modo tale che i loro campi si sommino», spiega Martin Plenio, direttore dell’Istituto di fisica teorica e del Centro di bioscienze quantistiche dell’Università di Ulma. Il processo che consente di raggiungere questo traguardo si chiama iperpolarizzazione molecolare ed è integrabile nella RMI per migliorarne le prestazioni. Tuttavia, i metodi attuali per ottenere l’iperpolarizzazione sono costosi e limitati. Il progetto HYPERDIAMOND, finanziato dall’UE, sta facendo progredire la RMI iperpolarizzata sfruttando le proprietà quantistiche dei centri di colore nei diamanti, utilizzando brevi impulsi laser. HYPERDIAMOND ha creato due nuove piattaforme per l’iperpolarizzazione, aumentando l’efficacia, riducendo i costi e diversificando considerevolmente le potenziali applicazioni dell’imaging iperpolarizzato. Come la RMI, i sistemi iperpolarizzati di imaging presentano una risoluzione spaziale elevata, sono privi di radiazioni nocive e sono diffusamente disponibili nei principali ospedali e nelle maggiori università di tutto il mondo; si tratta inoltre di un sistema di imaging estremamente veloce, le cui scansioni durano solo alcuni minuti. «La RMI iperpolarizzata sta rapidamente diventando uno dei principali metodi alle frontiere dell’imaging molecolare, in particolare per l’imaging metabolico, e ha fornito approfondimenti unici nella caratterizzazione e nella risposta dei tumori maligni», afferma Plenio.

Nuove piattaforme

Il team del progetto HYPERDIAMOND ha creato l’iperpolarizzatore a base di diamanti, una soluzione di imaging iperpolarizzato caratterizzata da costi e tempi ridotti. Gli attuali sistemi all’avanguardia richiedono costosi magneti superconduttori, che sono stati però sostituiti da un sistema a basso costo basato su laser e microonde. Il sistema consente l’iperpolarizzazione a temperatura ambiente in soli 5 minuti, rispetto ai 60-90 minuti alla temperatura di 1 grado Kelvin richiesti dai sistemi attuali. L’iperpolarizzatore a base di diamanti può essere utilizzato per iperpolarizzare i metaboliti, ovvero i prodotti di reazioni metaboliche nelle cellule, spalancando le porte alla profilazione metabolica di singoli pazienti, possibilità che potrebbe migliorare drasticamente la diagnosi e il trattamento di varie malattie. Il secondo sviluppo è la sonda basata su nanodiamanti, la prima sonda per la RMI in grado di raggiungere una sensibilità molecolare paragonabile alle scansioni di tomografia a emissione di positroni (PET) con i sistemi RMI. La sonda basata su nanodiamanti genera segnali di risonanza magnetica più ampi grazie all’elevata densità degli isotopi di carbonio dei diamanti, che migliora le capacità di imaging. La combinazione dei due sistemi è potenzialmente in grado di aumentare fino a 1010 volte la resa del segnale della RMI.

Applicazioni avanzate

«La realizzazione dell’RMI iperpolarizzata presenterà vantaggi che vanno ben oltre un semplice miglioramento di velocità o di accuratezza, in quanto darà accesso, per la prima volta, all’osservazione tramite RMI dei processi metabolici nel tessuto vivente», aggiunge Plenio. Questo consentirà modalità completamente nuove di valutare le fasi tumorali e farà sì che la chemioterapia abbia effetto in alcuni giorni, anziché settimane o mesi. Il partner del progetto NVision Imaging Technologies si propone di sviluppare la tecnologia in una forma adatta all’operatività in ambiente ospedaliero.

Parole chiave

HYPERDIAMOND, RMI, imaging, diamante, isotopi di carbonio, medico, iperpolarizzato

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