(PhysOrg.com) -- Magnetische resonantie beeldvorming, voor het eerst ontwikkeld in de vroege jaren 1970, is uitgegroeid tot een standaard diagnostisch hulpmiddel voor kanker, hart- en vaatziekten en neurologische aandoeningen, onder andere. MRI is bij uitstek geschikt voor medische beeldvorming omdat het een ongeëvenaard driedimensionaal kijkje in levend weefsel biedt zonder het weefsel te beschadigen. Echter, het gebruik ervan in wetenschappelijke studies is beperkt omdat het niets kleiner dan enkele kubieke micrometers kan afbeelden.

Nu combineren wetenschappers het 3D-vermogen van MRI met de precisie van een techniek die atomaire krachtmicroscopie wordt genoemd. Deze combinatie maakt 3D-visualisatie mogelijk van minuscule exemplaren zoals virussen, cellen en mogelijk structuren in cellen - een verbetering van 100 miljoen keer ten opzichte van MRI die in ziekenhuizen wordt gebruikt.

Vorig jaar, Christiaan Degen, MIT-assistent-professor scheikunde, en collega's van het IBM Almaden Research Center, waar Degen als postdoctoraal medewerker werkte voordat hij naar MIT kwam, gebruikte die strategie om het eerste MRI-apparaat te bouwen dat 3D-beelden van virussen kan vastleggen. Vorig weekend, hun paper waarin werd gerapporteerd over de mogelijkheid om een ​​MRI-beeld te maken van een tabaksmozaïekvirus, werd in 2009 bekroond met de Cozzarelli-prijs van de National Academy of Sciences, voor wetenschappelijke excellentie en originaliteit in de categorie techniek en toegepaste wetenschappen.

"Het is verreweg de meest gevoelige MRI-beeldvormingstechniek die is aangetoond, ” zegt Raffi Budakian, assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, die geen deel uitmaakte van het onderzoeksteam.

Het gebruik van MRI op nanoschaal om de 3D-vormen van biologische moleculen te onthullen, biedt een aanzienlijke verbetering ten opzichte van röntgenkristallografie, die de sleutel was tot het ontdekken van de dubbele helixstructuur van DNA, maar niet goed geschikt is voor eiwitten omdat ze moeilijk te kristalliseren zijn, zegt Budakiaan. "Er is echt geen andere techniek die molecuul voor molecuul kan gaan en de structuur kan bepalen, " hij zegt. Het uitzoeken van dergelijke structuren kan wetenschappers helpen meer te weten te komen over ziekten die worden veroorzaakt door misvormde eiwitten en betere doelwitten voor geneesmiddelen te identificeren.

Deze animatie laat zien hoe magnetische krachtresonantiemicroscopie beelden van kleine monsters zoals virussen vastlegt. Computersimulatie:Christian Degen

Verbetering van MRI

Traditionele MRI maakt gebruik van de zeer zwakke magnetische signalen die worden uitgezonden door waterstofkernen in het monster dat wordt afgebeeld. Wanneer een krachtig magnetisch veld op het weefsel wordt uitgeoefend, de magnetische spins van de kernen zijn uitgelijnd, het genereren van een signaal dat sterk genoeg is voor een antenne om te detecteren. Echter, de magnetische spins zijn zo zwak dat een zeer groot aantal atomen (meestal meer dan een biljoen) nodig zijn om een ​​afbeelding te genereren, en de best mogelijke resolutie is ongeveer drie miljoenste van een meter (ongeveer de helft van de diameter van een rode bloedcel).

In 1991, theoretisch fysicus John Sidles stelde voor het eerst het idee voor om MRI te combineren met atoomkrachtmicroscopie om kleine biologische structuren in beeld te brengen. IBM-natuurkundigen bouwden de eerste microscoop op basis van die benadering, nagesynchroniseerde magnetische resonantiekrachtmicroscopie (MRFM), in 1993.

Vanaf dat moment, onderzoekers, waaronder Degen en zijn IBM-collega's, hebben de techniek verbeterd tot het punt waarop het 3D-beelden kan produceren met een resolutie van slechts vijf tot 10 nanometer, of miljardsten van een meter. (Een mensenhaar is ongeveer 80, 000 nanometer dik.)

Met MRFM, het te onderzoeken monster wordt bevestigd aan het uiteinde van een kleine silicium cantilever (ongeveer 100 miljoenste van een meter lang en 100 miljardste van een meter breed). Als een magnetische ijzeren kobaltpunt dicht bij het monster beweegt, de kernspins van de atomen worden erdoor aangetrokken en genereren een kleine kracht op de cantilever. De spins worden dan herhaaldelijk omgedraaid, waardoor de cantilever zachtjes heen en weer zwaait in een synchrone beweging. Die verplaatsing wordt gemeten met een laserstraal om een ​​reeks 2D-beelden van het monster te maken, die worden gecombineerd om een ​​3D-beeld te genereren.

MRFM-resolutie is bijna net zo goed (binnen een factor 10) als de resolutie van elektronenmicroscopie, de meest gevoelige beeldvormingstechniek die biologen tegenwoordig gebruiken. Echter, in tegenstelling tot elektronenmicroscopie, MRFM kan gevoelige monsters zoals virussen en cellen in beeld brengen zonder ze te beschadigen.

Nieuwe doelen

Degen, die geïnteresseerd raakte in het nastreven van nieuwe MRI-technieken na het zien van een demonstratie van een elektronenmicroscoop op de universiteit, zegt dat zijn werk structurele biologen kan helpen bij het ontdekken van nieuwe medicijndoelen voor virussen.

“Als je wilt weten hoe dingen werken, je moet de structuur vinden. Anders weet je niet hoe je medicijnen moet ontwerpen, " hij zegt. "Je opereert in een blinde vlek."

Degen en scheikundestudent Ye Tao bouwen nu een MRFM-microscoop in de kelder van MIT's Building 2. Wanneer voltooid, de microscoop zal een van de weinige in zijn soort in de wereld zijn. De meeste onderdelen zijn op hun plaats en werken, maar Degen en Tao moeten nog de koelunit krijgen die het systeem tot net boven het absolute nulpunt zal koelen. Het systeem moet worden gekoeld tot 50 millikelvin om thermische trillingen te minimaliseren, die interfereren met het magneetgeïnduceerde verplaatsingssignaal van de cantilever.

Degen hoopt de koelunit eind mei of begin juni te ontvangen, maar de verzending kan worden vertraagd door een aanhoudend tekort aan heliumisotopen, die nodig zijn om de nodige koeling te bereiken. Als alles volgens plan verloopt, de microscoop zou tegen het einde van dit jaar beelden kunnen genereren.

Degen en twee van zijn studenten streven ook naar een andere nieuwe benadering van MRI op nanoschaal. Deze benadering maakt gebruik van fluorescentie in plaats van magnetisme om monsters af te beelden. Hun nieuwe microscoop vervangt de magnetische punt door een diamant met een defect in de kristalstructuur. het gebrek, bekend als een stikstof-vacaturedefect, functioneert als een sensor omdat de fluorescentie-intensiteit wordt veranderd door interacties met magnetische spins. Deze opstelling hoeft niet gekoeld te worden, zodat monsters kunnen worden afgebeeld bij kamertemperatuur.