Hiperpolaryzowany rezonans magnetyczny rewolucjonizuje diagnostykę obrazową
Postęp w technikach obrazowania medycznego pozwolił naukowcom i lekarzom niezwykle dokładnie badać procesy zachodzące wewnątrz ciała. Nieinwazyjne metody obrazowania molekularnego, takie jak rezonans magnetyczny (MRI) znalazły szerokie zastosowanie w diagnostyce nowotworów, medycznych i przyrodniczych badaniach naukowych oraz przy opracowywaniu leków. „Wiele atomów w organizmie posiada charakterystyczny moment magnetyczny jądra atomowego. Mówiąc prościej, zachowują się one jak małe magnesy prętowe, a MRI wykrywa wytworzone przez nie pole magnetyczne. Nie możemy zmienić wartości tych momentów magnetycznych, ale możemy dążyć do ich równoległego ułożenia tak, aby ich pola się sumowały”, wyjaśnia Martin Plenio, dyrektor Instytutu Fizyki Teoretycznej i Centrum Bionauk Kwantowych Uniwersytetu w Ulm. Aby to osiągnąć, wykorzystuje się proces nazywany hiperpolaryzacją molekularną. Można go zintegrować z MRI w celu zwiększenia wydajności. Obecne metody osiągnięcia hiperpolaryzacji wiążą się jednak z wysokimi kosztami, jak i z ograniczeniami. Finansowany ze środków UE projekt HYPERDIAMOND rozwija technologię hiperpolaryzowanego MRI poprzez wykorzystanie kwantowych właściwości centrów barwnych w diamentach przy użyciu krótkich impulsów laserowych. Zespół projektu HYPERDIAMOND stworzył dwie nowatorskie platformy do hiperpolaryzacji, co pozwoli na zwiększenie efektywności, zmniejszenie kosztów i znaczne poszerzenie potencjalnych zastosowań obrazowania hiperpolaryzacyjnego. Podobnie jak w przypadku rezonansu magnetycznego, systemy obrazowania hiperpolaryzacyjnego charakteryzują się wysoką rozdzielczością przestrzenną, brakiem szkodliwego promieniowania i powszechną dostępnością w większych szpitalach i na uniwersytetach na całym świecie. Co więcej, obrazowanie to jest niezwykle szybkie – badanie zajmuje zaledwie kilka minut. „Hiperpolaryzowany MRI szybko staje się jedną z wiodących metod w dziedzinie obrazowania molekularnego, zwłaszcza w obrazowaniu metabolicznym, i umożliwia unikalny wgląd w charakterystykę i odpowiedź guzów nowotworowych na leczenie”, mówi Plenio.
Nowe platformy
Zespół projektu HYPERDIAMOND stworzył rozwiązanie do obrazowania hiperpolaryzacyjnego – Diamond Hyperpolarizer – które przynosi znaczne oszczędności czasu i pieniędzy. Obecne najnowocześniejsze systemy wymagają użycia drogich magnesów nadprzewodzących, jednak tu zostały one zastąpione tańszym systemem wykorzystującym laser i mikrofale. Umożliwia on osiągnięcie hiperpolaryzacji w temperaturze pokojowej w ciągu zaledwie 5 minut, a w obecnych systemach zajmuje to 60–90 minut w temperaturze 1 Kelwina. Urządzenie Diamond Hyperpolarizer może być stosowane do hiperpolaryzacji metabolitów – produktów reakcji metabolicznych w komórkach. Umożliwi to profilowanie metaboliczne poszczególnych pacjentów, co może znacząco usprawnić diagnostykę i leczenie różnych chorób. Drugim osiągnięciem projektu jest sonda Nanodiamond, pierwsza sonda MRI pozwalająca na osiągnięcie czułości molekularnej porównywalnej do pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Sonda Nanodiamond generuje silniejsze sygnały rezonansu magnetycznego ze względu na wysokie zagęszczenie izotopów węgla w diamentach, co poprawia możliwości obrazowania. Połączenie tych dwóch systemów może potencjalnie doprowadzić do 1010-krotnego wzrostu sygnału MRI.
Zaawansowane zastosowania
„Zastosowanie hiperpolaryzowanego MRI będzie miało zalety znacznie wykraczające poza zwykłą poprawę szybkości lub dokładności, ponieważ po raz pierwszy umożliwi obserwację procesów metabolicznych w żywych tkankach za pomocą MRI”, dodaje Plenio. Pozwoli to na opracowanie zupełnie nowych sposobów oceny stopnia zaawansowania nowotworu i osiągnięcie skuteczności chemioterapii nawet w ciągu kilku dni, zamiast tygodni lub miesięcy. Partner projektu, firma NVision Imaging Technologies, obrał za cel dopracowanie technologii w formie odpowiedniej do wykorzystania w warunkach szpitalnych.
Słowa kluczowe
HYPERDIAMOND, MRI, obrazowanie, diament, izotopy węgla, medyczne, hiperpolaryzowany
