211service.com
Meerkleurige MRI voor moleculaire beeldvorming
Magnetische resonantie beeldvorming (MRI) is een klinisch werkpaard dat prachtig gedetailleerde 3D-beelden produceert van tumoren, bloedvaten, botten en structuren diep in het lichaam. MRI-beelden zijn in grijstinten en hun contrast is gebaseerd op de hoeveelheid water in het te bestuderen deel van het lichaam. Nu hebben natuurkundigen miniatuur magnetische deeltjes gefabriceerd die MRI zouden kunnen opfleuren met een regenboog van kleuren die een schat aan informatie over de ziektetoestanden en het gedrag van weefsels in het lichaam overbrengen.
Minimagneten: Geïnjecteerd in het lichaam, kunnen magnetische deeltjes op microschaal (boven) gekleurde magnetische resonantiebeelden opleveren waarmee artsen de moleculaire onderbouwing van ziekten, waaronder kanker, kunnen onderzoeken. Aan de onderkant is een raster van minimagneten voordat ze worden verwijderd uit de halfgeleiderwafer waarop ze zijn vervaardigd met behulp van standaardtechnieken uit de computerindustrie.
Onderzoek naar deze deeltjes, aan de gang bij het National Institute of Standards and Technology, in Boulder, CO, bevindt zich in een vroeg stadium en de deeltjes zijn niet op dieren getest. Maar als multicolor MRI zijn belofte waarmaakt, kan het visuele informatie opleveren op het niveau van genen, eiwitten en andere moleculen. Onderzoekers hopen dat dergelijke moleculaire beeldvorming uiteindelijk onderdeel zal worden van gepersonaliseerde geneeskunde, waardoor artsen letterlijk de processen kunnen zien die ten grondslag liggen aan de ontsteking of tumorgroei van een individuele patiënt en vervolgens de juiste therapie voorschrijven met minder giswerk. De meeste moleculaire beeldvormingstechnieken zijn optisch en omvatten fluorescerende tags zoals de kleine deeltjes van halfgeleidermateriaal die bekend staan als kwantumstippen. Maar het licht dat door deze tags wordt uitgestraald, kan slechts door ongeveer een centimeter weefsel reizen, dus ze zijn niet erg nuttig voor het afbeelden van organen. MRI biedt een niet-invasieve blik onder het oppervlak.
Magnetische resonantiebeelden worden gegenereerd uit radiofrequentiesignalen die worden uitgezonden door watermoleculen in het lichaam. Wanneer de sterke ronde magneet die de patiënt omringt, wordt aangezet, komen de kernen van waterstofatomen in het lichaam van de patiënt op één lijn met het magnetische veld. Een radiofrequentiepuls zorgt ervoor dat ze uit de lijn raken, en als ze weer in positie komen, geven ze hun overtollige energie af als radiogolven.
De deeltjes die zijn ontworpen door het National Institute of Standards and Technology (NIST) werken als miniatuurmagneten en veroorzaken een voorspelbare verschuiving in de frequentie van de radiogolven die worden uitgezonden door water dat er doorheen stroomt. De grootte van deze verschuiving is direct gerelateerd aan de grootte en vorm van de deeltjes, die bestaan uit twee schijfvormige nikkelmagneten die bij elkaar worden gehouden door niet-magnetische palen. De gevarieerde radiofrequentieverschuivingen kunnen in kaart worden gebracht op het spectrum van kleuren van zichtbaar licht.
We kunnen elke kleur ontwerpen die we willen, zegt Gary Zabow, een fysicus in de elektromagnetische afdeling van NIST die de ontwikkeling van de deeltjes leidt. Met behulp van microfabricagetechnieken die standaard zijn in de computerindustrie, zegt hij, krijgen we deze kleuren door de exacte vorm van de deeltjes te regelen.
De micromagneten verschuiven de frequentie van alleen die radiogolven die worden uitgezonden door water dat zich tussen hun samenstellende schijven verplaatst. Als deze ruimte wordt afgesloten, zegt Zabow, hebben de deeltjes geen effect op het MRI-signaal. Bijgevolg zouden de micromagneten kunnen fungeren als miniatuur chemische sensoren. Je zou de ruimte opzettelijk kunnen blokkeren met een materiaal dat smelt bij een bepaalde temperatuur of dat op de een of andere manier reactief is, uitzet of krimpt onder specifieke omstandigheden in het lichaam, zegt Zabow.
Er bestaan al contrastmiddelen voor MRI, en sommige kunnen zelfs gericht zijn op bepaalde weefsels of celtypes. Net als de NIST-micromagneten laten deze middelen een deel van het beeld er helderder of donkerder uitzien door de radiofrequenties die door protonen worden uitgezonden te verschuiven. In tegenstelling tot de NIST-deeltjes zijn ze echter gemaakt met behulp van chemische technieken, dus de afmetingen van hun deeltjes kunnen niet zorgvuldig worden gecontroleerd. Als gevolg hiervan verschuiven ze de frequenties van de signalen van de protonen onvoorspelbaar. Gemiddeld bieden ze een contrast met het standaard MRI-signaal, maar ze kunnen geen nauwkeuriger, lokaal onderscheid maken.
Als je twee [van zulke agenten] zou inzetten, zou je het verschil tussen hen niet kunnen zien, zegt Richard Bowtell , een professor in de natuurkunde aan het Institute of Neuroscience aan de Universiteit van Nottingham, in Engeland. Elk NIST-deeltje produceert echter een duidelijke signatuur. Als je ze allemaal tegelijk invoert, zou je kunnen zien welk signaal bij welk signaal hoort, zegt Bowtell.
De micromagneten, deze week beschreven in het tijdschrift Natuur , zijn tot nu toe gemaakt van nikkel, dat giftig is. Maar Zabow zegt dat ze gemakkelijk van ijzer kunnen worden gemaakt, dat niet-toxisch en magnetisch is. De onderzoekers onderzoeken het idee om de deeltjes te gebruiken als sensoren voor fysiologische omstandigheden in het lichaam, zegt Zabow, maar hij waarschuwt dat ze nu pas de eerste stap in die richting zetten en tests in cellen plannen.