Diamanter anvender både optisk mikroskopi og MR for bedre billeddannelse

Når læger eller videnskabsmænd vil kigge ind i levende væv, der er altid en afvejning mellem, hvor dybt de kan undersøge, og hvor klart et billede de kan få.

Med lysmikroskoper, forskere kan se strukturer med submikron opløsning inde i celler eller væv, men kun så dybt som millimeteren eller så, at lyset kan trænge igennem uden at sprede sig. Magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) bruger radiofrekvenser, der kan nå overalt i kroppen, men teknikken giver lav opløsning - omkring en millimeter, eller 1, 000 gange værre end lys.

En forsker fra University of California-Berkeley har nu vist, at mikroskopiske diamantsporere kan give information via MRI og optisk fluorescens samtidigt, potentielt giver videnskabsfolk mulighed for at få billeder af høj kvalitet op til en centimeter under overfladen af ​​væv, 10 gange dybere end lys alene.

Ved at bruge to observationsmåder, teknikken kunne også muliggøre hurtigere billeddannelse.

Teknikken ville primært være nyttig til at studere celler og væv uden for kroppen, undersøge blod eller andre væsker for kemiske sygdomsmarkører, eller til fysiologiske undersøgelser i dyr.

"Dette er måske den første demonstration af, at det samme objekt kan afbildes i optik og hyperpolariseret MRI samtidigt, " sagde Ashok Ajoy, UC Berkeley assisterende professor i kemi. "Der er en masse information, du kan få i kombination, fordi de to tilstande er bedre end summen af ​​deres dele. Det åbner op for mange muligheder, hvor du kan accelerere billeddannelsen af ​​disse diamantsporere i et medium med flere størrelsesordener."

Teknikken, som Ajoy og hans kolleger rapporterer i denne uge i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences , bruger en relativt ny type biologisk sporstof:Mikrodiamanter, der har fået nogle af deres kulstofatomer sparket ud og erstattet af nitrogen, efterlader tomme pletter i krystallen - nitrogen-tomrum - der fluorescerer, når de rammes af laserlys.

Ajoy udnytter en isotop af kulstof - kulstof-13 (C-13) - der forekommer naturligt i diamantpartiklerne i en koncentration på omkring 1 %, men også kunne beriges yderligere ved at erstatte mange af de dominerende kulstofatomer, kulstof-12. Carbon-13 kerner er lettere justeret, eller polariseret, af nærliggende spin-polariserede ledige centre, som bliver polariserede samtidig med, at de fluorescerer efter at være blevet belyst med en laser. De polariserede C-13 kerner giver et stærkere signal til kernemagnetisk resonans (NMR) - teknikken i hjertet af MR.

Som resultat, disse hyperpolariserede diamanter kan detekteres både optisk - på grund af de fluorescerende nitrogen ledige centre - og ved radiofrekvenser, på grund af det spin-polariserede kulstof-13. Dette muliggør samtidig billeddannelse ved hjælp af to af de bedste tilgængelige teknikker, med særlig fordel, når man ser dybt inde i væv, der spreder synligt lys.

"Optisk billeddannelse lider meget, når du går i dybt væv. Selv over 1 millimeter, du får en masse optisk spredning. Dette er et stort problem, "Ajoy sagde. "Fordelen her er, at billeddannelsen kan udføres i radiofrekvenser og optisk lys ved hjælp af den samme diamantsporer. Den samme version af MR, som du bruger til billeddannelse inde i mennesker, kan bruges til billeddannelse af disse diamantpartikler, selv når den optiske fluorescenssignatur er fuldstændig spredt ud."

Detektering af atomspin

Ajoy fokuserer på at forbedre NMR - en meget præcis måde at identificere molekyler på - og dens medicinske billeddannende modstykke, MR, i håb om at sænke omkostningerne og reducere størrelsen på maskinerne. En begrænsning ved NMR og MR er så stor, kraftfulde og dyre magneter er nødvendige for at justere eller polarisere molekylernes nukleare spins inde i prøver eller kroppen, så de kan detekteres af pulser fra radiobølger. Men mennesker kan ikke modstå de meget høje magnetiske felter, der er nødvendige for at få masser af spin polariseret på én gang, hvilket ville give bedre billeder.

En måde at overvinde dette på er at justere kernespindene af de atomer, du ønsker at detektere, så flere af dem er justeret i samme retning, i stedet for tilfældigt. Med flere spins justeret, kaldet hyperpolarisering, signalet detekteret af radioen er stærkere, og mindre kraftige magneter kan bruges.

I sine seneste eksperimenter, Ajoy brugte et magnetfelt svarende til det for en billig køleskabsmagnet og en billig grøn laser til at hyperpolarisere kulstof-13-atomerne i mikrodiamanternes krystalgitter.

"Det viser sig, at hvis du kaster lys på disse partikler, du kan justere deres spins til en meget, meget høj grad - omkring tre til fire størrelsesordener højere end justeringen af ​​spins i en MR-maskine, " sagde Ajoy. "Sammenlignet med konventionelle MRI'er på hospitaler, som bruger et magnetfelt på 1,5 tesla, carbonerne polariseres effektivt, som de var i en 1, 000 tesla magnetfelt."

Når diamanterne er målrettet mod specifikke steder i celler eller væv - af antistoffer, for eksempel, som ofte bruges med fluorescerende sporstoffer - de kan detekteres både ved NMR-billeddannelse af det hyperpolariserede C-13 og fluorescensen af ​​nitrogen-tomgangscentrene i diamanten. Nitrogen-vacancy-center-diamanter er allerede blevet mere udbredt som sporstoffer for deres fluorescens alene.

"Vi viser en vigtig cool egenskab ved disse diamantpartikler, den kendsgerning, at de spin-polariserer – derfor kan de lyse meget kraftigt i en MR-maskine – men de fluorescerer også optisk, " sagde han. "Det samme, som giver dem spin-polarisering, tillader dem også at fluorescere optisk."

Diamantsporerne er også billige og relativt nemme at arbejde med, sagde Ajoy. Sammen, disse nye udviklinger kunne, i fremtiden, giver mulighed for en billig NMR-billedmaskine på hver apoteker. I dag, kun store hospitaler har råd til million-dollar-prisskiltet for MR-undersøgelser. Han arbejder i øjeblikket på andre teknikker til at forbedre NMR og MR, herunder anvendelse af hyperpolariserede diamantpartikler til at hyperpolarisere andre molekyler.