Quando médicos ou cientistas querem examinar tecidos vivos, sempre há uma compensação entre o quão profundo eles podem sondar e a clareza da imagem que podem obter.

Com microscópios de luz, os pesquisadores podem ver estruturas de resolução submicron dentro das células ou tecidos, mas apenas tão profundo quanto um milímetro ou para que a luz possa penetrar sem se espalhar. A imagem por ressonância magnética (MRI) usa frequências de rádio que podem alcançar todas as partes do corpo, mas a técnica fornece baixa resolução - cerca de um milímetro, ou 1, 000 vezes pior do que a luz.

Um pesquisador da Universidade da Califórnia-Berkeley mostrou agora que rastreadores microscópicos de diamante podem fornecer informações por meio de ressonância magnética e fluorescência óptica simultaneamente, potencialmente permitindo que os cientistas obtenham imagens de alta qualidade até um centímetro abaixo da superfície do tecido, 10 vezes mais profundo do que a luz sozinha.

Usando dois modos de observação, a técnica também pode permitir imagens mais rápidas.

A técnica seria útil principalmente para estudar células e tecidos fora do corpo, sondar sangue ou outros fluidos em busca de marcadores químicos de doenças, ou para estudos fisiológicos em animais.

"Esta é talvez a primeira demonstração de que o mesmo objeto pode ser visualizado em óptica e ressonância magnética hiperpolarizada simultaneamente, "disse Ashok Ajoy, Professor assistente de química da UC Berkeley. "Há muitas informações que você pode obter em combinação, porque os dois modos são melhores do que a soma de suas partes. Isso abre muitas possibilidades, onde você pode acelerar a imagem desses rastreadores de diamante em um meio em várias ordens de magnitude. "

A tecnica, que Ajoy e seus colegas relatam esta semana no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences , utiliza um tipo relativamente novo de rastreador biológico:microdiamantes que tiveram alguns de seus átomos de carbono expelidos e substituídos por nitrogênio, deixando para trás pontos vazios no cristal - vazios de nitrogênio - que ficam fluorescentes quando atingidos pela luz do laser.

Ajoy explora um isótopo de carbono - carbono-13 (C-13) - que ocorre naturalmente nas partículas de diamante em cerca de 1% de concentração, mas também poderia ser enriquecido ainda mais pela substituição de muitos dos átomos de carbono dominantes, carbono-12. Os núcleos de carbono-13 estão mais prontamente alinhados, ou polarizado, por centros de vacância polarizados de rotação próximos, que se tornam polarizados ao mesmo tempo que ficam fluorescentes após serem iluminados com um laser. Os núcleos C-13 polarizados produzem um sinal mais forte de ressonância magnética nuclear (NMR) - a técnica básica da ressonância magnética.

Como resultado, esses diamantes hiperpolarizados podem ser detectados tanto opticamente - por causa dos centros de vacância de nitrogênio fluorescentes - quanto em frequências de rádio, por causa do carbono-13 polarizado por spin. Isso permite imagens simultâneas por duas das melhores técnicas disponíveis, com benefício particular ao olhar profundamente dentro de tecidos que dispersam a luz visível.

"A imagem óptica sofre muito quando você penetra no tecido profundo. Mesmo além de 1 milímetro, você obtém muita dispersão ótica. Esse é o principal problema, "Ajoy disse." A vantagem aqui é que a imagem pode ser feita em frequências de rádio e luz óptica usando o mesmo rastreador de diamante. A mesma versão de ressonância magnética que você usa para obter imagens do interior das pessoas pode ser usada para obter imagens dessas partículas de diamante, mesmo quando a assinatura de fluorescência óptica está completamente espalhada. "

Detectando spin nuclear

Ajoy se concentra em melhorar a RMN - uma maneira muito precisa de identificar moléculas - e sua contraparte de imagens médicas, Ressonância magnética, na esperança de diminuir o custo e reduzir o tamanho das máquinas. Uma limitação de NMR e MRI é que grande, ímãs poderosos e caros são necessários para alinhar ou polarizar os spins nucleares das moléculas dentro das amostras ou do corpo para que possam ser detectados por pulsos de ondas de rádio. Mas os humanos não podem suportar os campos magnéticos muito altos necessários para obter muitos spins polarizados de uma vez, o que forneceria melhores imagens.

Uma maneira de superar isso é ajustar os spins nucleares dos átomos que você deseja detectar para que mais deles estejam alinhados na mesma direção, em vez de aleatoriamente. Com mais spins alinhados, chamada hiperpolarização, o sinal detectado pelo rádio é mais forte, e ímãs menos poderosos podem ser usados.

Em seus últimos experimentos, Ajoy empregou um campo magnético equivalente ao de um ímã de geladeira barato e um laser verde barato para hiperpolarizar os átomos de carbono-13 na estrutura cristalina dos microdiamantes.

"Acontece que se você iluminar essas partículas, você pode alinhar suas rotações grau muito alto - cerca de três a quatro ordens de magnitude maior do que o alinhamento dos spins em uma máquina de ressonância magnética, "Ajoy disse." Em comparação com as ressonâncias magnéticas convencionais de hospitais, que usam um campo magnético de 1,5 teslas, os carbonos são polarizados efetivamente como se estivessem em 1, Campo magnético de 000 tesla. "

Quando os diamantes são direcionados a locais específicos nas células ou tecidos - por anticorpos, por exemplo, que são frequentemente usados ​​com marcadores fluorescentes - eles podem ser detectados tanto por imagens de NMR do C-13 hiperpolarizado quanto pela fluorescência dos centros de vacância de nitrogênio no diamante. Os diamantes de centro vazio de nitrogênio já estão se tornando mais amplamente usados ​​como marcadores apenas para sua fluorescência.

"Mostramos uma característica interessante dessas partículas de diamante, o fato de eles girarem polarizados - portanto, podem brilhar muito intensamente em uma máquina de ressonância magnética - mas também apresentam fluorescência óptica, "disse ele." A mesma coisa que os dota com a polarização de spin também permite que eles tenham fluorescência óptica. "

Os traçadores de diamante também são baratos e relativamente fáceis de trabalhar, Ajoy disse. Juntos, esses novos desenvolvimentos poderiam, no futuro, permitem uma máquina de imagem de NMR barata na bancada de cada químico. Hoje, apenas grandes hospitais podem pagar o preço de um milhão de dólares para ressonâncias magnéticas. Ele atualmente está trabalhando em outras técnicas para melhorar NMR e MRI, incluindo o uso de partículas de diamante hiperpolarizadas para hiperpolarizar outras moléculas.