Moderne simuleringer kan forbedre MRI'er

Gadolinium-baserede kontrastmidler, guldstandarden inden for magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) for at bestemme en patients helbred, kan forbedres, ifølge Rice Universitys ingeniører, der raffinerer modeller, de først brugte til at forbedre olie- og gasindvindingen.

Holdet ledet af Dilip Asthagiri og Philip Singer fra George R. Brown School of Engineering havde studeret, hvordan nukleare magnetiske resonansværktøjer, almindeligvis brugt i olieindustrien til at karakterisere aflejringer under jorden, kunne optimeres gennem simuleringer af molekylær dynamik.

"Vi behandlede en masse grundlæggende videnskabelige spørgsmål der, og vi spekulerede på, om der var andre måder, vi kunne bruge disse simuleringer på, " sagde Asthagiri.

"Der tages omkring 100 millioner MRI'er på verdensplan hvert år, og omkring 40 % af dem bruger gadolinium-baserede kontrastmidler, men måden, de modellerer MRI-respons på disse midler på, har ikke ændret sig væsentligt siden 1980'erne, " sagde Singer. "Vi troede, at det ville være en god prøveseng for vores ideer."

Resultaterne af deres forskning vises i tidsskriftet Royal Society of Chemistry Fysisk kemi Kemisk fysik .

Deres papir viser, hvordan begrænsning af antallet af parametre i simuleringer har potentialet til at forbedre analysen af ​​gadolinium-baserede kontrastmidler, og hvor effektive de er til billeddannelse til klinisk diagnose. Deres mål er at lave bedre og mere tilpassede kontrastmidler.

Læger bruger MR-apparater til at "se" tilstanden af ​​blødt væv inde i kroppen, inklusive hjernen, ved at inducere magnetiske momenter i brintkernerne af altid tilstedeværende vandmolekyler til at justere langs magnetfeltet. Enheden registrerer lyse pletter, når de justerede kerner "slapper af" tilbage til termisk ligevægt efter en excitation, og jo hurtigere de slapper af, jo lysere er kontrasten.

Det er her, paramagnetiske gadolinium-baserede kontrastmidler kommer ind. "Gadoliniumioner øger følsomheden og gør signalet lysere ved at reducere T1-relaksationstiden for brintkerner, Asthagiri sagde. "Vores ultimative mål er at hjælpe med optimering og design af disse agenter."

Typisk, gadolinium er "chelateret" - omgivet af metalioner - for at gøre det mindre giftigt. "Kroppen fjerner ikke gadolinium af sig selv og skal chelateres, så nyrerne kan slippe af med det efter en scanning, " sagde Singer. "Men chelation bremser også den molekylære rotation, og det skaber bedre kontrast i MR-billedet."

Forskerne bemærkede, at "chelat" kommer fra det græske ord for klo. "I dette tilfælde, disse kløer griber gadoliniumet for at gøre det stabilt, " sagde han. "Vi håber, at vores modeller hjælper os med at designe et stærkere greb, hvilket vil gøre dem mere sikre og samtidig maksimere deres evne til at øge kontrasten."

De anerkendte, at gadolinium chelater, som revolutionerede MR-testning, da den blev introduceret i slutningen af ​​1980'erne, har været kontroversielle på det seneste, siden det blev opdaget, at patienter med nedsat nyrefunktion ikke var i stand til at fjerne alle toksinerne. "De har siden fundet ud af, at hvis du har en god nyrefunktion, fordelene opvejer de potentielle risici, " sagde Singer.

Holdet tilpasser også sine modeller ud over interaktioner med vand. "I biologiske systemer, celler har andre bestanddele som osmolytter og denaturanter som urinstof, så vi modellerer gadolinium med disse forskellige miljøer for at bygge mod en række forskellige anvendelser, " sagde Asthagiri.