Cientistas australianos desenvolveram uma nova ferramenta para imagens de vida em nanoescala que fornecerá novos insights sobre o papel dos íons de metal de transição, como o cobre, em doenças neurodegenerativas.

Em um novo artigo publicado hoje em Nature Communications , uma equipe de pesquisadores da Universidade de Melbourne revela um "canguru quântico" que demonstra uma maneira de detectar e gerar imagens de giros eletrônicos de forma não invasiva com sensibilidades ambientais e ordens de resolução de magnitude nunca antes alcançadas. A descoberta fornecerá aos médicos e pesquisadores uma nova ferramenta para sondar o papel que os íons metálicos de transição desempenham na biologia e nas doenças.

Técnicas de ressonância de spin eletrônico (ESR) têm sido um pilar na compreensão de processos bioquímicos em sistemas biológicos. No entanto, a ESR não viu um crescimento rápido em comparação com sua tecnologia irmã, ressonância magnética nuclear, que agora é uma tecnologia madura usada em imagens de ressonância magnética (MRI) para olhar dentro do corpo.

ESR e NMR aplicam um campo magnético às moléculas de imagem, mas ao contrário de NMR, ESR pode revelar bioquímica relacionada a íons metálicos e radicais livres. O desafio é que, em sistemas biológicos, a concentração detectável de spins de elétrons é muitas ordens de magnitude menor do que os spins nucleares. Portanto, o obstáculo para o desenvolvimento de técnicas de imagem baseadas em ESR tem sido a sensibilidade necessária - normalmente bilhões de spins eletrônicos foram necessários para gerar um sinal suficiente para imagens bem-sucedidas.

Digite:tecnologia quântica. Uma equipe liderada pelo professor Lloyd Hollenberg usou um conjunto especialmente projetado de sondas quânticas em diamante para demonstrar imagens ESR não invasivas com resolução subcelular. Notavelmente, o sistema é capaz de criar imagens e interrogar regiões muito pequenas contendo apenas alguns milhares de spins de elétrons.

"A tecnologia de detecção e imagem que estamos desenvolvendo nos permite ver a vida de maneiras completamente novas, com maior sensibilidade e resolução derivada das interações fundamentais de amostra e sonda no nível da mecânica quântica, "disse Hollenberg, que é vice-diretor do Centro de Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação (CQC2T) e Thomas Baker Chair da Universidade de Melbourne.

"Esta melhoria dramática na tecnologia de imagem ESR é um desenvolvimento empolgante e uma demonstração clara de como a tecnologia quântica pode ser usada para melhorar a sensibilidade do sinal e fornecer soluções para problemas de longa data, por exemplo, sondar a bioquímica humana em escalas ainda mais sutis. "

Redimensionar a tecnologia ESR para uma resolução submícron tem sido um desafio porque essa redução na resolução espacial requer uma sensibilidade substancialmente melhor. Contudo, isso é precisamente o que as sondas quânticas oferecem - alta sensibilidade com alta resolução espacial.

Ao gerar uma série de sondas quânticas em diamante, usando o centro de cor de vacância de nitrogênio exclusivo do material, a equipe de pesquisa interdisciplinar foi capaz de criar imagens e detectar espécies de spin eletrônico no limite de difração da luz, 300 nanômetros. Criticamente, a tecnologia de detecção é capaz de fornecer informações espectroscópicas sobre a fonte particular de spins eletrônicos sendo imageados.

Dr. David Simpson, O autor principal e co-diretor de sensoriamento e imagem do Center for Neural Engineering disse que a tecnologia pode fornecer uma nova visão sobre o papel que os íons metálicos de transição desempenham na biologia.

"Os íons de metal de transição estão implicados em várias doenças neurodegenerativas, Contudo, pouco se sabe sobre sua concentração e estado de oxidação nas células vivas, " ele disse.

"Nosso objetivo é adaptar esta nova forma de detecção para começar a sondar esses efeitos em uma variedade de sistemas biológicos."

Uma das vantagens exclusivas do sensoriamento baseado em quantum é que ele não interfere na amostra que está sendo visualizada. Outras abordagens dependem de moléculas fluorescentes que se ligam a alvos específicos de interesse. Embora essas abordagens sejam específicas da espécie, eles modificam a funcionalidade e a disponibilidade das espécies-alvo que estão sendo fotografadas.

O estudante de doutorado e co-autor do artigo Robert Ryan explicou a técnica.

"Nossa técnica é passiva, detecção não invasiva de spins eletrônicos, observando sua interação com a matriz de sonda quântica, "disse Ryan.

"Ajustando cuidadosamente um ímã externo em ressonância com as sondas quânticas, somos capazes de ouvir o ruído magnético criado pelos spins eletrônicos do sample. Diferentes espécies de spin eletrônico têm diferentes condições de ressonância; portanto, somos capazes de detectar e criar imagens de vários alvos eletrônicos de rotação. "

A chave para o sucesso do trabalho foi a colaboração entre os membros da equipe, que foram retirados de diferentes centros de pesquisa em toda a universidade.

"O aspecto interdisciplinar desta pesquisa ajudou a expandir os limites do que é possível, "disse o professor Paul Mulvaney, co-autor e diretor do Centre for Exciton Science na Escola de Química da Universidade de Melbourne.

"Do ponto de vista da química, é surpreendente ver que um sistema quântico frágil pode acomodar o ambiente flutuante encontrado em sistemas químicos "reais" e as flutuações inerentes no ambiente de íons passando por rearranjo de ligantes. A experiência complementar dentro da química, a física e a neurociência levaram a esse avanço. "