Onderzoekers van de Universiteit van Melbourne hebben een techniek ontwikkeld die de gevoeligheid van magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) voor de diagnose van patiënten zou kunnen vergroten.

De nieuwe techniek werkt door het vergroten van de sterkte van het magnetische veld geproduceerd door moleculen, en dus het verhogen van hun signaal wanneer gemeten door MRI.

Het team ontwikkelde specifieke defecten in diamantkristallen die een gecontroleerde kwantummechanische invloed uitoefenen op de kernspins in nabijgelegen moleculen. waaronder mogelijk die welke worden gebruikt bij metabole beeldvorming van hersentumoren, waardoor ze 'op een lijn komen te staan' (polariseren) in een specifieke oriëntatie.

Deze hypergepolariseerde toestand van kernspins is zeer geordend en vergroot het magnetische veld dat kan worden gedetecteerd door technieken zoals MRI.

Het is de eerste keer dat deze polarisatie van moleculaire kernen is aangetoond met een dergelijke op diamanten gebaseerde kwantumsonde.

University of Melbourne School of Physics-onderzoeker professor Lloyd Hollenberg leidde het onderzoeksteam, met het werk gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Professor Hollenberg, die adjunct-directeur van CQC2T en Thomas Baker-leerstoel is aan de Universiteit van Melbourne, zei dat de beste MRI-scanners ter wereld nu het maximale magnetische veld bereiken dat door het menselijk lichaam kan worden getolereerd, aangezien de technologie streeft naar een grotere gevoeligheid.

"De supergeleidende magneten die deze velden produceren, zijn ook de reden waarom MRI-scanners miljoenen dollars kosten, aangezien de magneten bij cryogene temperaturen moeten worden bewaard, ' zei professor Hollenberg.

"Er is duidelijk een disruptieve aanpak nodig, dus we kijken naar het gebruik van kwantumtechnologie om een ​​grotere signaalintensiteit van bepaalde moleculaire doelen op atomair niveau te produceren."

University of Melbourne PhD-kandidaat David Broadway zei dat de techniek werkte met behulp van een koelkastmagneet en een beetje kwantummechanica op atomair niveau.

"We kunnen de kernen van het atoom zien als een kompasnaald die een magnetisch veld produceert dat afhankelijk is van zijn oriëntatie, ' zei meneer Broadway.

"Als er meerdere kompasnaalden in verschillende richtingen wijzen, het resulterende veld neigt naar gemiddeld tot nul, maar als de kompassen allemaal in dezelfde richting wijzen, zullen de bijdragen aan het veld van elke kompasnaald optellen tot iets meetbaars, " hij zei.

"Dus als de kernen allemaal op een rij staan, wordt het magnetische veld sterker en daarom kan de MRI-uitlezing meer details oppikken.

"Momenteel, MRI's kunnen ongeveer één op een miljoen kernspins op één lijn krijgen, terwijl onze methode bijna 100 procent kon bereiken om binnen moleculen op één lijn te komen, mogelijk de beeldgevoeligheid met orden van grootte verbeteren."

De gemodificeerde diamanten zouden kunnen worden gebruikt om een ​​"quantum hyperpolarisatie"-chip te construeren, waarover een moleculair doelcontrastmiddel zou kunnen worden gevloeid. De kwantummechanische interactie tussen doel- en kwantumsondes wordt gebruikt om de polarisatie van de diamant naar de agent over te brengen, waarin kan worden geïnjecteerd, of ingeademd door, een patiënt voorafgaand aan hun MRI. De agent behoudt zijn polarisatie lang genoeg om, bijvoorbeeld, reizen naar een tumorplaats, waardoor het gemakkelijker wordt om een ​​beeld te krijgen door middel van MRI.

Postdoctoraal onderzoeker Dr. Liam Hall zei dat op MRI gebaseerde precisiegeneeskunde dit type beeldvorming al gebruikt. maar de kosten van de benodigde infrastructuur kunnen wedijveren met die van de MRI-scanners zelf.

"Aanvullend, we zouden alleen licht gebruiken dat door diamanten scheen bij de kwantummechanische productie van gepolariseerde contrastmiddelen die al zijn goedgekeurd voor routinematig gebruik. Zodat er niets giftigs in het lichaam zou komen, ' zei dokter Hall.

"De techniek kwam voort uit ons werk bij het ontwikkelen van kwantumdetectietechnologie, en het besef dat deze op diamanten gebaseerde kwantumsondes een krachtige invloed kunnen uitoefenen op omringende kernspins wanneer we de omstandigheden optimaliseren waaronder ze rechtstreeks met elkaar "praten", zei dokter Hall, die met het theoretische concept kwam.

"In zekere zin de kwantumsonde extraheert willekeurige spin-stoornis uit het ('hete') doelmolecuul om een ​​geordende ('koude') spin-uitgelijnde toestand te produceren. Het potentieel voor toepassing in hyperpolarisatie voor MRI werd al snel duidelijk."

De kracht van de kwantumtechniek blijkt uit de experimentele demonstratie.

Professor Hollenberg zei:"Om het in context te plaatsen, hetzelfde niveau van polarisatie te bereiken met een conventionele aanpak, we zouden het magnetische veld met een factor 100 moeten vergroten, 000 keer, en je zult zulke velden alleen vinden in een neutronenster."

Technieken voor het hyperpolariseren van kernspins kunnen een aantal belangrijke toepassingen hebben in de natuurkunde en de levenswetenschappen.

Gehyperpolariseerde metabolieten kunnen bij patiënten worden geïnjecteerd en zullen naar tumorlocaties reizen en waar ze in realtime kunnen worden gevolgd met behulp van MRI terwijl ze worden gemetaboliseerd; en hypergepolariseerde gassen kunnen worden ingeademd voor MRI-beeldvorming van longen en hun functie. Beide technieken spelen een centrale rol in het aanbrekende tijdperk van gepersonaliseerde geneeskunde.

Hyperpolarisatie van doelmoleculen neemt ook toe tot signaal-ruisverhouding van kernmagnetische resonantie (NMR) spectroscopie met hoge resolutie, waardoor het een belangrijk hulpmiddel is voor het bestuderen van complexe biomoleculaire systemen.

"Natuurlijk de volgende stap, waar we sterk op gefocust zijn, is om dit proces te herhalen met behulp van gemanipuleerde arrays van deze kwantumsondes in diamant op macroscopische schaal om deze technologie op te schalen, ' zei professor Hollenberg.

"Meer sondes staat gelijk aan meer polarisatie en meer geproduceerde contrastmiddelmoleculen, maar de sondes beginnen elkaar kwantummechanisch te verstoren als ze te dicht op elkaar worden gepakt, dus we moeten de juiste balans vinden, .

"Als we dat vakje kunnen aanvinken, we kunnen dan nadenken over polariserende volumes MRI-contrastmiddelen die detecteerbaar zijn door de MRI-scanners in onderzoekslaboratoria en ziekenhuizen."