Pesquisadores da Universidade de Melbourne desenvolveram uma técnica que pode aumentar a sensibilidade da ressonância magnética (MRI) para o diagnóstico do paciente.

A nova técnica funciona aumentando a força do campo magnético produzido pelas moléculas, e, portanto, aumentando seu sinal quando medido por MRI.

A equipe projetou defeitos específicos em cristais de diamante que exercem uma influência mecânica quântica controlada sobre os spins nucleares em moléculas próximas, incluindo potencialmente aqueles usados ​​em imagens metabólicas de tumores cerebrais, fazendo-os 'alinhar' (polarizar) em uma orientação específica.

Este estado hiperpolarizado de spins nucleares é altamente ordenado e aumenta o campo magnético que pode ser detectado por técnicas como a ressonância magnética.

É a primeira vez que esta polarização de núcleos moleculares foi mostrada usando uma sonda quântica baseada em diamante.

O pesquisador da Escola de Física da Universidade de Melbourne, Professor Lloyd Hollenberg, liderou a equipe de pesquisa, com o trabalho publicado em Nature Communications .

Professor Hollenberg, que é Diretor Adjunto CQC2T e Presidente Thomas Baker da Universidade de Melbourne, disse que os melhores scanners de ressonância magnética do mundo estão agora atingindo o campo magnético máximo que pode ser tolerado pelo corpo humano, pois a tecnologia se esforça para obter maior sensibilidade.

"Os ímãs supercondutores que produzem esses campos também são a razão pela qual os leitores de ressonância magnética custam milhões de dólares, como os ímãs precisam ser mantidos em temperaturas criogênicas, "Professor Hollenberg disse.

"Claramente, uma abordagem disruptiva é necessária, portanto, procuramos usar a tecnologia quântica para produzir uma maior intensidade de sinal de certos alvos moleculares no nível atômico. "

O candidato a PhD da Universidade de Melbourne, David Broadway, disse que a técnica funcionou usando um ímã de geladeira e um pouco de mecânica quântica de nível atômico.

"Podemos pensar nos núcleos do átomo como uma agulha de bússola que produz um campo magnético que depende de sua orientação, "Sr. Broadway disse.

"Quando há várias agulhas de bússola apontando em direções diferentes, o campo resultante tende a ter uma média de zero, mas quando as bússolas apontam todas na mesma direção, as contribuições para o campo de cada agulha da bússola somam algo mensurável, " ele disse.

"Portanto, ter os núcleos todos alinhados torna o campo magnético mais forte e, portanto, a leitura de ressonância magnética pode captar mais detalhes.

"Atualmente, A ressonância magnética pode conseguir cerca de um em um milhão de giros nucleares para se alinhar, considerando que nosso método pode atingir quase 100 por cento para alinhar dentro das moléculas, aumentando potencialmente a sensibilidade da imagem em ordens de magnitude. "

Os diamantes modificados podem ser usados ​​para construir um chip de "hiperpolarização quântica", sobre o qual um agente de contraste molecular alvo poderia fluir. A interação mecânica quântica entre o alvo e as sondas quânticas é aproveitada para transferir a polarização do diamante para o agente, que poderia ser injetado em, ou inalado por, um paciente antes de sua ressonância magnética. O agente retém sua polarização por tempo suficiente para, por exemplo, viajar para um local de tumor, tornando mais fácil a imagem por meio de ressonância magnética.

O pesquisador de pós-doutorado, Dr. Liam Hall, disse que a medicina de precisão baseada em ressonância magnética já emprega este tipo de imagem, mas o custo da infraestrutura necessária pode rivalizar com o dos próprios leitores de ressonância magnética.

"Além disso, nós usaríamos apenas a luz brilhada através dos diamantes na produção mecânica quântica de agentes de contraste polarizados já aprovados para uso rotineiro. Portanto, nada tóxico entraria no corpo, "Dr. Hall disse.

"A técnica surgiu de nosso trabalho no desenvolvimento de tecnologia de sensoriamento quântico, e a constatação de que essas sondas quânticas baseadas em diamante podem exercer uma influência poderosa sobre os spins nucleares circundantes quando otimizamos as condições sob as quais eles "conversam" diretamente entre si ", disse o Dr. Hall, que surgiu com o conceito teórico.

"Num sentido, a sonda quântica extrai o distúrbio de spin aleatório da molécula alvo ('quente') para produzir um estado alinhado por spin ordenado ('frio'). O potencial de aplicação em hiperpolarização para ressonância magnética logo se tornou claro. "

O poder da técnica quântica se manifesta na demonstração experimental.

O professor Hollenberg disse:"Para contextualizar, para atingir o mesmo nível de polarização com uma abordagem convencional, precisaríamos aumentar o campo magnético por um fator de cerca de 100, 000 vezes, e você só vai encontrar campos como esse em uma estrela de nêutrons. "

As técnicas de hiperpolarização de spins nucleares podem ter várias aplicações importantes nas ciências físicas e biológicas.

Os metabólitos hiperpolarizados podem ser injetados em pacientes e viajarão para os locais dos tumores e onde podem ser monitorados em tempo real por meio de ressonância magnética enquanto são metabolizados; e gases hiperpolarizados podem ser inalados para imagens de ressonância magnética dos pulmões e sua função. Ambas as técnicas têm papéis centrais a desempenhar no alvorecer da era da medicina personalizada.

A hiperpolarização das moléculas alvo também aumenta a relação sinal-ruído da espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) de alta resolução, tornando-se uma ferramenta importante para estudar sistemas biomoleculares complexos.

"Claramente, a próxima etapa, no qual estamos fortemente focados, é repetir esse processo usando matrizes de engenharia de tamanho macroscópico dessas sondas quânticas em diamante para aumentar essa tecnologia, "Professor Hollenberg disse.

"Mais sondas equivalem a mais polarização e mais moléculas de agente de contraste produzidas, mas as sondas começam a perturbar umas às outras mecanicamente quânticas se estiverem muito próximas, então precisamos encontrar o equilíbrio certo, .

"Se pudermos marcar essa caixa, podemos então pensar na polarização de volumes de agentes de contraste de ressonância magnética que são detectáveis ​​pelos scanners de ressonância magnética encontrados em laboratórios de pesquisa e hospitais. "