Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) wymaga dużej i kosztownej aparatury, ale pozwala uzyskiwać szczegółowe obrazy 3D i przekroje tkanek i narządów bez konieczności wykorzystywania promieniowania jonizującego, co ma trudne do przecenienia znaczenie dla nowoczesnej diagnostyki medycznej. Wciąż jednak istnieją możliwości dalszych udoskonaleń.

Urządzenie do rezonansu magnetycznego działa dzięki wytworzeniu silnego pola magnetycznego. Zmusza ono protony cząsteczek wody w ciele lub badanej próbce do ustawienia się w jednej linii. Następnie urządzenie emituje fale radiowe, które wytrącają te protony z równowagi, po czym pod wpływem pola magnetycznego wracają one do pierwotnego położenia. Gdy protony się ustawiają, emitują charakterystyczny sygnał radiowy, który urządzenie wykrywa i wykorzystuje do identyfikacji rodzaju tkanki, z której pochodzi sygnał. Oznacza to, że typowe aparaty MRI nadają się głównie do badania próbek bogatych w wodę.

Jednym ze sposobów zwiększenia czułości obrazowania MRI jest dynamiczna polaryzacja jądrowa (DNP), w której cząsteczki docelowe obrazowania są modyfikowane tak, aby podczas skanowania tworzyły wyraźniejsze obrazy. Technika ta wymaga jednak specjalnych materiałów krystalicznych zmieszanych z czynnikami polaryzującymi, które są trudne do wytworzenia.

„Udowodnionym sposobem na poprawę szczegółowości i zawartości informacyjnej obrazów MRI jest wykorzystanie chemicznych obiektów docelowych w ciele pacjenta lub w próbce. DNP działa w ten sposób, ale wymaga obecności czynników polaryzujących cząsteczki docelowe, a to z kolei zazwyczaj wymaga ekstremalnie niskich, kriogenicznych temperatur i silnego pola magnetycznego. Zaprezentowaliśmy jednak łatwiejszy sposób polaryzacji obiektów docelowych” – powiedział profesor Nobuhiro Yanai z Wydziału Chemii Uniwersytetu Tokijskiego

Yanai zademonstrował zastosowanie jako czynników polaryzujących cząsteczek zwanych fulerenami. Fulereny to odmiany alotropowe węgla w formie zamkniętych, pustych w środku brył (kul, elipsoid, rurek) zbudowanych z parzystej liczby atomów węgla. Najbardziej znany jest fuleren C60 (buckminsterfulleren) przypominający piłkę nożną.

Nowa metoda może sprawić, że docelowe cząsteczki DNP pozwolą uzyskać za pomocą urządzenia MRI znacznie lepsze obrazy.

„Nasza praca pokazuje, że dzięki zastosowaniu specjalnie zaprojektowanych fulerenów możemy zwiększyć współczynnik polaryzacji do 14,2 proc. w próbce nieuporządkowanego, szklistopodobnego materiału. Poziom ten jest wystarczająco wysoki do zastosowań biologicznych, gdzie próg 10 proc. to minimalne pożądane minimum; w przeciwnym razie spolaryzowane cząsteczki rozpadają się zbyt szybko, aby ich sygnały mogły generować użyteczne obrazy” - dodał naukowiec.

Fulereny przyciągnęły uwagę badaczy, ponieważ można je modyfikować na różne sposoby, aby tworzyć funkcjonalne materiały. W tym przypadku Yanai i jego zespół wprowadzili pewne modyfikacje do fulerenów, które zapobiegały ich rotacji, dzięki czemu pozostawały spolaryzowane. Po umieszczeniu w próbce elektrony z tych fulerenów przenoszą swoją polaryzację spinową do jąder pobliskich atomów. Ta właśnie polaryzacja przekłada się na silniejsze sygnały, które wykrywają czujniki obrazowania. W przypadku fulerenów zwanych izomerami trans-3a wystarczyło naświetlić je odpowiednim rodzajem światła.

„Polaryzacja odbywa się na zewnątrz ciała. Po polaryzacji próbka jest rozpuszczana, a fuleren, który mógłby być szkodliwy, jest usuwany przed wstrzyknięciem hipotetycznemu pacjentowi” – wyjaśnił doktorant Keita Sakamoto.

„Ponieważ ta metoda, triplet-DNP, eliminuje potrzebę stosowania ciekłego helu jako chłodziwa, może być stosowana na znacznie prostszym i tańszym sprzęcie. Umożliwia również masową polaryzację diagnostycznych sond chemicznych, takich jak pirogronian czy leki przeciwnowotworowe, których konwencjonalny rezonans magnetyczny nie jest w stanie wykryć. Naszym kolejnym celem jest opracowanie biokompatybilnych matryc, abyśmy mogli hiperpolaryzować ważne medycznie cząsteczki. Planujemy najpierw zademonstrować wysokoczuły rezonans magnetyczny na modelach zwierzęcych. Jeśli te eksperymenty zakończą się sukcesem, a następnie przeprowadzone zostaną badania kliniczne, spodziewamy się, że technologia ta będzie mogła znaleźć rzeczywiste zastosowania medyczne za 10 do 20 lat”.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ agt/