MRI krijgt een upgrade van nano-formaat

Conventionele MRI-scans, die ons kent uit ziekenhuizen, hebben een oplossing van ongeveer een tiende van een millimeter, waardoor ze van top tot teen ongelooflijk dunne plakjes van ons lichaam kunnen voorstellen, waardoor artsen een verscheidenheid aan medische aandoeningen kunnen diagnosticeren. Zelfs deze ultrahoge resolutie is echter onvoldoende voor onderzoekers die de structuur van individuele moleculen willen bestuderen.

Nieuwe technologie ontwikkeld in het laboratorium van Dr. Amit Finkler aan het Weizmann Institute of Science stelt onderzoekers in staat MRI-scans uit te voeren met een resolutie van één nanometer (een miljoenste van een millimeter of een miljardste van een meter) of hoger.

Het nieuwe Nano-MRI-apparaat, beschreven onlangs in Communicatieshysicakan het mogelijk maken om alle kleine deeltjes te onderscheiden die een enkel molecuul vormen, waardoor de meest gedetailleerde afbeeldingen van individuele moleculen ooit zijn geproduceerd. Het vertegenwoordigt een enorme sprong voorwaarts in de race om nano-MRI-toepassingen te ontwikkelen voor onderzoek en voor gebruik in de materialen en farmaceutische industrie.

MRI is gebaseerd op een eigenschap van elementaire deeltjes in atomen die spin worden genoemd. Het is een magnetische eigenschap die kan worden gevisualiseerd als een rotatie rond een as, vergelijkbaar met een draaiende top, en het wordt gekenmerkt door een frequentie – het aantal “rotaties” per seconde – bekend als de resonantiefrequentie. Deze resonantiefrequentie is wat het MRI -apparaat meet. Het hangt af van het type deeltje dat wordt gemeten en de sterkte van het omringende magnetische veld.

In conventionele MRI zorgt een gradiëntmagnetisch veld, dat varieert in sterkte langs het lichaam van de patiënt, ervoor dat de resonantiefrequentie ook varieert, waardoor de machine onderscheid kan maken tussen plakjes weefsel. Een steilere gradiënt zorgt voor dunnere plakjes. De vraag die de Weizmann -onderzoekers stelden was: zou een magnetisch veld van gradiënt ook kunnen worden gebruikt om de individuele deeltjes binnen een enkel molecuul te onderscheiden?

Wetenschappers in het laboratorium van Finkler op de afdeling Chemical and Biological Physics hadden al een methode ontwikkeld voor magnetische resonantiescanning op basis van een synthetische diamant. In de diamant zit een klein defect de grootte van een enkel atoom, het stikstofvakcentrum genoemd. Dit defect werkt als een sensor die de intensiteit van het rode licht dat het uitzendt verandert, afhankelijk van de spin van de aangrenzende deeltjes.

Het voordeel van het stikstof-vacancy Center is dat het zeer gevoelig is voor zelfs de zwakste signalen-zoals bijvoorbeeld de aanwezigheid van een enkel deeltje op 50 nanometer verderop. Het probleem was echter dat het niet altijd effectief onderscheidde tussen aangrenzende deeltjes, en het licht dat het uitzendde werd beïnvloed door de gemiddelde eigenschappen van alle nabijgelegen deeltjes. Dit betekende dat het moeilijk was om deze sensor te gebruiken om de individuele atomen af ​​te beelden die een molecuul vormen.

In hun nieuwe studie, geleid door doctoraatskandidaat Leora Schein-Lubomirsky, ontwikkelden de onderzoekers een machine die een gradiënt magnetisch veld genereert gericht op een atomaire magnetische sensor. Deze machine is gebaseerd op een kwart tip bedekt met een gouden geleider in de vorm van een vierkante boog. Toen een elektrische stroom door de draad werd gereden, genereerde deze een magnetisch veld van gradiënt; De veranderingen in het magnetische veld waren het sterkst nabij de hoeken van de rechthoek en verzwakte geleidelijk verder weg.

“De veranderingen in het magnetische veld leidden tot veranderingen in de resonantiefrequentie van atomen, afhankelijk van hun positie in het molecuul,” legt Schein-Lubomirsky uit. “Eerder was de sensor niet in staat om onderscheid te maken tussen verschillende nabijgelegen waterstofatomen en het bepalen van hun locaties, maar nu, in elk gebied, zal een waterstofdeeltje een andere resonantiefrequentie vertonen. We zullen dan in staat zijn om beelden te assembleren die deze verschillende locaties laten zien in een compleet beeld van het molecuul.”

‘Kijk niet naar het veld, maar naar de verandering erin’

“Het besef dat leidde tot de nieuwe ontwikkeling was dat we een zeer sterke gradiënt van het magnetische veld konden produceren, zelfs als de absolute grootte ervan klein bleef”, legt Finkler uit. “Hoewel ons magnetische veld aanzienlijk kleiner is dan dat van een commerciële MRI -machine, is de gradiënt – de snelheid waarmee het magnetische veld verandert met de afstand van het apparaat – veel groter.

“Dit is hoe we een resolutie van één nanometer hebben verkregen, en we geloven dat ons apparaat in staat is om nog hogere resoluties te bereiken – wat betekent dat het in staat zou zijn om de structuur van een individueel molecuul te scannen.”

Het nieuwe apparaat is ook een verbetering ten opzichte van eerdere diamantsensorsystemen, omdat het het magnetische veld op aanvraag kan activeren en deactiveren-en dit binnen slechts 0,6 miljoenste van een seconde doet. Dit komt omdat het veld niet wordt geproduceerd door een magneet, maar eerder door een elektrische stroom die kan worden ingeschakeld of uitgeschakeld. “Het vermogen om het magnetische veld snel te activeren en te deactiveren, zorgt ervoor dat er minder verstoringen zijn en dat de scan nauwkeuriger is,” voegt Finkler toe.

Moleculaire beeldvorming met hoge resolutie speelt een cruciale rol in de materialen en farmaceutische industrie. Tegenwoordig ondergaat elk vervaardigd medicijn magnetische resonantietests om ervoor te zorgen dat het alleen de gewenste stof bevat in de juiste moleculaire structuur en opstelling die veilig is voor menselijk gebruik.

Huidige methoden vereisen echter grote steekproefhoeveelheden, die moeilijk te verkrijgen kunnen zijn, vooral tijdens vroege ontwikkelingsfasen. Bovendien kunnen deze tests niet worden uitgevoerd bij kamertemperatuur en blijft hun resolutie beperkt.

“De nano-MRI-machine die we voorstellen kan werken bij kamertemperatuur en de structuur van materialen onderzoeken onder precies die omstandigheden waarmee ze moeten worden gebruikt,” benadrukt Finkler.

“De machine zal ook een meer gedetailleerd beeld van de moleculaire structuur produceren en het mogelijk maken om een ​​klein en aanzienlijk goedkoper monster te testen dat slechts enkele moleculen van het materiaal bevat. Bovendien kan dit apparaat helpen onthullen waarom stoffen zich soms onverwacht in de echte wereld gedragen, vergeleken met de resultaten van laboratoriumtests en of er onbekende verschillen tussen stoffen zijn die identiek zijn.”