Kemikere designer kemisk sonde til at registrere små temperaturændringer i kroppen

Den ikke-invasive, livreddende teknik kendt som magnetisk resonansbilleddannelse virker ved at justere brintatomer i et stærkt magnetfelt og pulserende radiofrekvensbølger for at konvertere disse atomers respons til et billede.

Herkomstområdet for MR, kan det hævdes, er kemi - MR virker ved at udnytte de iboende magnetiske egenskaber af individuelle atomer. Hvad hvis en MR-maskine i stedet for blot at lave billeder kunne udtrække detaljerede oplysninger om kroppens kemi - f.eks. pH-niveauerne i nærheden af ​​en tumor eller de temperaturanomalier, der opstår omkring en skade? Hvad hvis de fysiske principper for magnetisk billeddannelse kunne anvendes på alle mulige kemiske ændringer, helt ned til niveauet af atomer og molekyler, og kunne give os uovertruffen ny indsigt i menneskers sundhed og sygdom?

Disse "hvad nu hvis"-spørgsmål driver arbejdet i Institut for Kemi Adjunkt Joseph Zadrozny og hans hold af studerende og forskere. Zadrozny er en uorganisk kemiker, der står på grænsen mellem kemi og kvantefysik, og har bygget et laboratorium på Colorado State University, hvis hovedmål er at designe molekyler, der tillader magnetisk resonansbilleddannelse at gøre ting, som den ikke kan i øjeblikket. Derved afdækker forskerne grundlæggende indsigt i, hvordan de magnetiske egenskaber af metalionholdige molekyler reagerer på deres omgivelser, uanset om det betyder ekstremt små skift i temperatur, pH eller andre målinger.

"Vi lever, trækker vejret, taler kemiske reaktorer," sagde Zadrozny. "Hvis du kunne forestille dig den kemi, ville den være virkelig kraftfuld."

Kerne, der fungerer som en elektron

I et gennembrud hen imod deres mål om at lave nye magnetiske billeddannende prober med ekstrem temperaturfølsomhed har Zadroznys team offentliggjort en artikel i Journal of the American Chemical Society der beskriver et kobolt-baseret molekyle, de har konstrueret til at være et ikke-invasivt kemisk termometer. De har brugt deres ekspertise inden for molekylært design til at få koboltkompleksets nukleare spin - en arbejdshest, fundamental magnetisk egenskab - til at efterligne den smidige, men mindre stabile følsomhed af en elektrons spin. "Spin" er det, der giver subatomære partikler deres magnetisme.

Ved at få koboltkernen til at fungere som en elektron, har de vist, at dette specielle koboltkompleks en dag kan danne grundlag for en kraftig molekylær billeddannende sonde, der kunne udlæse ekstremt subtile temperaturskift inde i kroppen. Fantasien kunne løbe løbsk for, hvordan dette fænomen kunne bruges:Læger kunne opdage de mindste temperaturskift omkring en stadig usynlig tumor. En termisk ablationsprocedure på kontoret kunne opnå præcision på molekylært niveau, dræbe sygt væv og samtidig undgå sundt væv.

At skabe en temperaturfølende sonde med koboltmaterialet, som i en læges kontor en dag kan blive injiceret eller indtaget for at kommunikere temperatursignaler fra kroppen,

ville drage fordel af en kernes kontrollerbare magnetisme. Det ville også have den ønskelige egenskab af informationsudlæsning via radiofrekvensbølger, som er sikre for menneske- eller dyrekroppen. Sådan en magnetisk sonde ville også fungere ved stuetemperatur, forestiller forskerne sig.

At bruge de magnetiske egenskaber ved spindende elektroner - et populært studieområde for fysikere, der forsøger at lave kvantecomputere - er mindre ideelt til biomedicinsk billeddannelse. En grund:at udnytte elektronernes magnetisme kræver mikrobølger, som er farlige for mennesker (forestil dig, at du skal mikrobølges for at få en MR). Sådanne elektronbaserede prober ville heller ikke arbejde ved stuetemperatur – de skulle være meget koldere.

Kernemagnetiske resonanseksperimenter

For at køre deres eksperimenter designet Zadroznys team ledet af postdoc-forsker Ökten Üngör koboltmolekylet og testede dets temperaturfølsomhed ved hjælp af et 500 megahertz kernemagnetisk resonansspektrometer placeret i CSU Analytical Resources Core. ARC er en vicepræsident for forskningsadministreret fælles facilitet beliggende i Chemistry Building, der giver forskere på tværs af campus mulighed for at udføre forskning via banebrydende analytisk instrumentering.

"Vi viste via kernemagnetiske resonanseksperimenter, at følsomheden overgik sammenlignelige molekyler i størrelsesordener," sagde Üngör.

En bred vifte af applikationer kan være i vente for forskernes koboltmolekyle. "Kemien omkring koboltatomet er meget afstembar, og vi kan kontrollere den i høj grad," sagde Üngör. "Dette arbejde viser ikke kun lovende på det medicinske område, men de grundlæggende trin og teori kan føre til fremskridt inden for kvanteberegningsområdet. Vi kan finde endnu flere anvendelser, efterhånden som vi fortsætter vores forskning."

Holdet kan derefter undersøge forbedret design af den koboltbaserede billedsonde for at gøre den mere stabil i vandig opløsning. For nu er materialets temperaturfølsomhed forbløffende, men molekylet er ikke robust nok til at overleve i kroppen i lang tid, hvilket ville være nødvendigt i en medicinsk anvendelse. + Udforsk yderligere

ESR-STM på enkelte molekyler og molekylebaserede strukturer