Wanneer artsen of wetenschappers in levend weefsel willen kijken, er is altijd een afweging tussen hoe diep ze kunnen peilen en hoe duidelijk ze een beeld kunnen krijgen.

Met lichtmicroscopen, onderzoekers kunnen structuren met een submicronresolutie in cellen of weefsels zien, maar slechts zo diep als de millimeter of zo dat licht kan doordringen zonder verstrooiing. Magnetische resonantie beeldvorming (MRI) maakt gebruik van radiofrequenties die overal in het lichaam kunnen bereiken, maar de techniek biedt een lage resolutie - ongeveer een millimeter, of 1, 000 keer erger dan licht.

Een onderzoeker van de University of California-Berkeley heeft nu aangetoond dat microscopische diamanttracers gelijktijdig informatie kunnen verschaffen via MRI en optische fluorescentie. mogelijk waardoor wetenschappers afbeeldingen van hoge kwaliteit tot een centimeter onder het weefseloppervlak kunnen krijgen, 10 keer dieper dan alleen licht.

Door twee observatiemethoden te gebruiken, de techniek kan ook snellere beeldvorming mogelijk maken.

De techniek zou vooral nuttig zijn voor het bestuderen van cellen en weefsel buiten het lichaam, het onderzoeken van bloed of andere vloeistoffen op chemische markers van ziekte, of voor fysiologische studies bij dieren.

"Dit is misschien de eerste demonstratie dat hetzelfde object tegelijkertijd in optica en gehyperpolariseerde MRI kan worden afgebeeld, " zei Ashok Ajoy, UC Berkeley assistent-professor scheikunde. "Er is veel informatie die je in combinatie kunt krijgen, omdat de twee modi beter zijn dan de som der delen. Dit opent vele mogelijkheden, waar je de beeldvorming van deze diamanttracers in een medium met verschillende ordes van grootte kunt versnellen."

De techniek, die Ajoy en zijn collega's deze week in het journaal melden Proceedings van de National Academy of Sciences , maakt gebruik van een relatief nieuw type biologische tracer:microdiamanten waarvan sommige koolstofatomen eruit zijn geschopt en vervangen door stikstof, lege plekken in het kristal achterlatend - stikstofvacatures - die fluoresceren wanneer ze worden geraakt door laserlicht.

Ajoy exploiteert een isotoop van koolstof - koolstof-13 (C-13) - dat van nature voorkomt in de diamantdeeltjes met een concentratie van ongeveer 1%, maar kan ook verder worden verrijkt door veel van de dominante koolstofatomen te vervangen, koolstof-12. Koolstof-13-kernen zijn gemakkelijker uitgelijnd, of gepolariseerd, door nabijgelegen spin-gepolariseerde leegstandscentra, die gepolariseerd worden en tegelijkertijd fluoresceren na te zijn belicht met een laser. De gepolariseerde C-13-kernen leveren een sterker signaal op voor nucleaire magnetische resonantie (NMR), de techniek die de kern vormt van MRI.

Als resultaat, deze hypergepolariseerde diamanten kunnen zowel optisch worden gedetecteerd - vanwege de fluorescerende stikstofleegstandscentra - als op radiofrequenties, vanwege het spin-gepolariseerde koolstof-13. Dit maakt gelijktijdige beeldvorming mogelijk met twee van de beste beschikbare technieken, met bijzonder voordeel wanneer u diep in weefsels kijkt die zichtbaar licht verstrooien.

"Optische beeldvorming lijdt enorm als je in diep weefsel gaat. Zelfs meer dan 1 millimeter, je krijgt veel optische verstrooiing. Dit is een groot probleem, "Zei Ajoy. "Het voordeel hier is dat de beeldvorming kan worden gedaan in radiofrequenties en optisch licht met dezelfde diamanttracer. Dezelfde versie van MRI die u gebruikt voor beeldvorming in mensen, kan worden gebruikt voor het afbeelden van deze diamantdeeltjes, zelfs wanneer de optische fluorescentiesignatuur volledig is verspreid."

Kernspin detecteren

Ajoy richt zich op het verbeteren van NMR - een zeer nauwkeurige manier om moleculen te identificeren - en zijn tegenhanger voor medische beeldvorming, MRI, in de hoop de kosten te verlagen en de omvang van de machines te verkleinen. Een beperking van NMR en MRI is dat grote, er zijn krachtige en dure magneten nodig om de kernspins van moleculen in monsters of het lichaam op één lijn te brengen of te polariseren, zodat ze kunnen worden gedetecteerd door pulsen van radiogolven. Maar mensen zijn niet bestand tegen de zeer hoge magnetische velden die nodig zijn om veel spins tegelijk gepolariseerd te krijgen. wat betere beelden zou opleveren.

Een manier om dit te verhelpen is door de kernspins van de atomen die je wilt detecteren aan te passen, zodat er meer in dezelfde richting zijn uitgelijnd. in plaats van willekeurig. Met meer spins uitgelijnd, hyperpolarisatie genoemd, het door de radio gedetecteerde signaal is sterker, en minder krachtige magneten kunnen worden gebruikt.

In zijn laatste experimenten, Ajoy gebruikte een magnetisch veld dat equivalent is aan dat van een goedkope koelkastmagneet en een goedkope groene laser om de koolstof-13-atomen in het kristalrooster van de microdiamanten te hyperpolariseren.

"Het blijkt dat als je licht op deze deeltjes schijnt, je kunt hun spins afstemmen op een zeer, zeer hoge graad - ongeveer drie tot vier orden van grootte hoger dan de uitlijning van spins in een MRI-machine, "Ajoy zei. "Vergeleken met conventionele ziekenhuis-MRI's, die een magnetisch veld van 1,5 teslas gebruiken, de koolstoffen zijn effectief gepolariseerd zoals ze waren in een 1, Magnetisch veld van 000 tesla."

Wanneer de diamanten worden gericht op specifieke plaatsen in cellen of weefsel - door antilichamen, bijvoorbeeld, die vaak worden gebruikt met fluorescerende tracers - ze kunnen zowel worden gedetecteerd door NMR-beeldvorming van de gehyperpolariseerde C-13 als door de fluorescentie van de stikstofvacaturecentra in de diamant. De diamanten in het stikstof-vacature-centrum worden al op grotere schaal gebruikt als tracers voor alleen hun fluorescentie.

"We laten een belangrijk cool kenmerk van deze diamantdeeltjes zien, het feit dat ze polariseren - daarom kunnen ze heel helder gloeien in een MRI-machine - maar ze fluoresceren ook optisch, " zei hij. "Hetzelfde dat hen de spinpolarisatie geeft, stelt hen ook in staat om optisch te fluoresceren."

De diamant tracers zijn ook goedkoop en relatief gemakkelijk om mee te werken, zei Ajoy. Samen, deze nieuwe ontwikkelingen kunnen in de toekomst, zorgen voor een goedkope NMR-beeldvormingsmachine op het werkblad van elke apotheek. Vandaag, alleen grote ziekenhuizen kunnen het prijskaartje van een miljoen dollar voor MRI's betalen. Momenteel werkt hij aan andere technieken om NMR en MRI te verbeteren, inclusief het gebruik van gehyperpolariseerde diamantdeeltjes om andere moleculen te hyperpolariseren.