Ny NMR-teknik tilbyder molekylært vindue til levende organismer

En ny teknik udviklet af University of Toronto Scarborough-forskere kan for første gang få en højopløsningsprofil af, hvilke molekyler der er til stede inde i en levende organisme.

"På en måde har vi udviklet dette molekylære vindue, der kan se ind i et levende system og udvinde en fuld metabolisk profil, " siger professor Andre Simpson, som førte forskning i udvikling af den nye teknik, der bruger kernemagnetisk resonans (NMR) teknologi.

"Det er vigtigt at få en fornemmelse af, hvilke molekyler der er i en vævsprøve, hvis du vil vide, om det er kræft, eller hvis du vil vide, om visse miljøforurenende stoffer skader celler inde i kroppen."

Indtil nu har traditionelle NMR-teknikker ikke været i stand til at give højopløsningsprofiler af levende organismer på grund af magnetiske forvrængninger fra selve prøven. Analogien Simpson giver er, at det er som at være i en helikopter over et stadion, mens du prøver at tale med folk til en koncert nedenunder. Det er utroligt svært at kommunikere på grund af støjforvrængning, men hvis du giver begge en walkie-talkie, det gør kommunikationen meget lettere.

Simpson og hans team var i stand til at overvinde problemet med magnetisk forvrængning ved at skabe små kommunikationskanaler baseret på noget, der kaldes langtrækkende dipol-interaktioner mellem molekyler. Med andre ord, hvorimod før kun et øjebliksbillede af et objekt kan gives, kan denne nye teknik tilbyde en komplet kemisk sammensætning af molekyler i objektet.

NMR-teknologi er i stand til at generere et kraftigt magnetfelt, så kraftige, at atomkerner kan bringes til at absorbere og genudsende energien i forskellige mønstre, afslører en unik molekylær signatur. Simpsons arbejde fokuserer på miljø-NMR, men han siger, at der er et stort medicinsk potentiale for denne nye teknik, da den også kan bruges i medicinske billeddannelsesteknikker som magnetisk resonansbilleddannelse (MRI).

"Det kan have konsekvenser for sygdomsdiagnostik og en dybere forståelse af, hvor vigtige biologiske processer fungerer, " siger Simpson, tilføjelse af teknikken er let programmerbar og kan oversættes til at fungere på eksisterende moderne MR-systemer, der findes på hospitaler.

Han peger på specifikke molekyler kaldet cancerbiomarkører, som er unikke for sygt væv. Den nye tilgang rummer potentiale til at opdage disse signaturer uden at ty til kirurgi og afgøre, om en vækst er kræftfremkaldende eller godartet direkte fra MRI alene.

Det har også potentialet til at fortælle os, hvordan hjernen fungerer. Nuværende MR-metoder kan fortælle, hvilken del af hjernen "lyser op" som reaktion på stimuli som frygt eller lykke, men de indikerer bare, hvilken del af hjernen der er ansvarlig. Den nye teknik kan potentielt bruges til at se ind i disse steder og afsløre de kemikalier, der faktisk forårsager responsen.

"Det kunne markere et vigtigt skridt i at optrevle hjernens biokemi, " siger Simpson.

Simpson har arbejdet på at perfektionere teknikken i mere end tre år sammen med kolleger hos Bruker BioSpin, en videnskabelig instrumentvirksomhed, der har specialiseret sig i at udvikle NMR-teknologi. Teknikken er baseret på nogle uventede videnskabelige koncepter, der blev opdaget i 1995, som på det tidspunkt blev beskrevet som umulige og vanvittige af mange forskere.

Teknikken udviklet af Simpson og hans team, herunder ph.d.-studerende Ioana Fugariu, bygger på disse tidlige opdagelser og er publiceret i tidsskriftet Angewandte Chemie . Arbejdet blev støttet af Mark Krembil fra Krembil Foundation og Natural Sciences Engineering Research Council of Canada (NSERC).

Simpson siger, at det næste skridt for forskningen er at teste det på menneskelige prøver. Han tilføjer, at da teknikken detekterer alle metabolitter lige så er der også potentiale for ikke-målrettet opdagelse, det er, finde patologier eller processer, du ikke engang ledte efter i første omgang.

"Da du kan se metabolitter i en prøve, som du ikke var i stand til at se før, du kan nu identificere molekyler, der kan indikere, at der er et problem, " han siger.

"Du kan derefter afgøre, om du har brug for yderligere test eller operation. Så potentialet for denne teknik er virkelig spændende."