211service.com
MRI voor virussen
Magnetische resonantie beeldvorming, of MRI, is een steunpilaar van medisch en neurowetenschappelijk onderzoek. Het kan niet-invasief diep in weefsels tasten en geeft informatie over de aanwezigheid van specifieke chemicaliën. Maar omdat de magnetische krachten die het detecteert zo klein zijn, is MRI niet erg gevoelig: het onthult meestal structuren op de millimeter tot submillimeterschaal.
Nano naald: Aan de punt van deze siliconen cantilever van nanoformaat is een klein monster van tabaksmozaïekvirus bevestigd. Wanneer waterstofkernen in het monster interageren met een nabijgelegen magneet, trilt de cantilever enigszins. Door deze trillingen via laser te volgen, kunnen onderzoekers een 3D-beeld van de virussen maken. Deze techniek, magnetische resonantiekrachtmicroscopie genaamd, is een enorm verkleinde versie van MRI.
Nu onderzoekers van IBM Almaden Research Center , in Californië, hebben een MRI-scanner ontwikkeld met een resolutie die 100 miljoen keer beter is dan die - goed genoeg om individuele virale deeltjes in beeld te brengen. Met verdere verfijningen zou de techniek ooit kunnen worden gebruikt om 3D-beelden van individuele moleculen te genereren.
De droom om een enkel molecuul in beeld te brengen is iets dat scheikundigen 's nachts wakker houdt, zegt John Marohn , een universitair hoofddocent scheikunde en chemische biologie aan de Cornell University. Als je deze tool had, is er geen einde aan de dingen die je ermee zou kunnen doen, en er komt geen einde aan het goede dat eruit zou komen.
MRI maakt gebruik van het feit dat de kernen van sommige elementen, zoals waterstof, werken als kleine magneten. Wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd, roteren deze kernen met karakteristieke frequenties rond de richting van het veld, waardoor kleine magnetische fluctuaties ontstaan. In een typische MRI-scanner detecteert een elektrische spoel deze fluctuaties en gebruikt ze om de ruimtelijke verdeling van waterstofkernen in kaart te brengen, waardoor een beeld van het gescande weefsel wordt gegenereerd.
Omdat MRI zo goed is in het maken van 3D-beelden van interne structuren, willen wetenschappers het gebruiken voor het afbeelden van veel kleinere biologische monsters, zoals individuele eiwitten. Maar de detectiespoel schaalt niet erg goed af - hoe kleiner de spoel, hoe lager de gevoeligheid - waardoor kleinere monsters en een fijnere resolutie buiten het bereik van conventionele MRI vallen.
De nieuwe scanner die door IBM is ontwikkeld, maakt gebruik van een opkomende technologie die magnetische resonantiekrachtmicroscopie (MRFM) wordt genoemd. MRFM omzeilt de beperkingen van MRI door een fysieke, in plaats van elektrische, detector te gebruiken om de minuscule magnetische krachten op te vangen die worden gegenereerd door roterende kernen.
Het is een veel gevoeligere manier om het magnetisme van de kernen te detecteren, zegt Dan Rugar, manager van nanoschaalstudies bij IBM Almaden Research Center en leider van het team dat het nieuwe apparaat heeft ontwikkeld.
Rugar en zijn collega's plaatsen het af te beelden monster op de punt van een kleine, uiterst gevoelige siliconen cantilever. Bij de punt zit een heel kleine magneet. Met behulp van een microscopisch kleine draad genereren de onderzoekers een oscillerend magnetisch veld dat ervoor zorgt dat de waterstofkernen in het monster heen en weer bewegen tussen het aantrekken en afstoten van de magneet. De resulterende fysieke trillingen in de cantilever worden gedetecteerd door een laser en gebruikt om een beeld te construeren.
Miniatuur MRI: Een schema van het door IBM ontwikkelde scanapparaat. Het monster wordt aan het uiteinde van een ultragevoelige siliconen cantilever geplaatst en in de buurt van een kleine magnetische punt geplaatst. Een microdraad produceert een oscillerend magnetisch veld dat ervoor zorgt dat waterstofkernen in een dun deel van het monster - de resonerende schijf - heen en weer bewegen tussen het aantrekken en afstoten van de magnetische punt. Hierdoor trilt de cantilever licht. Deze trillingen worden gemeten met behulp van een laserinferometer en vertaald naar een 3D-beeld van het monster.
Het oscillerende veld is nauwkeurig afgestemd, zodat alleen de kernen in een heel klein stukje van het monster, de resonantieschijf genoemd, reageren. Door de magneet in een driedimensionaal patroon te scannen, kunnen de onderzoekers de resonante schijf door het monster verplaatsen. Het is deze precisie die het apparaat in staat stelt om zo'n hoge resolutie afbeelding te creëren.
Andere vormen van beeldvorming met hoge resolutie, zoals scanning tunneling microscopie en atomic force microscopie, kunnen alleen het oppervlak van een stof zien. Vanwege de resonerende plak kan MRFM diep in het monster doordringen en een 3D-beeld van de interne structuur opbouwen.
MRFM ontstond voor het eerst in het begin van de jaren negentig en IBM is een consistente leider in het veld. In een historisch experiment in 2004 gebruikten Rugar en zijn collega's de technologie om de spin van een enkel elektron te detecteren. Meer recent maakten ze beelden van een niet-biologisch monster met een resolutie van maar liefst 90 nanometer - veel beter dan conventionele MRI, maar lang niet gevoelig genoeg om individuele biologische structuren te modelleren.
Nu, na jaren van nauwgezette stapsgewijze vooruitgang, heeft het team van Rugar een beeldvorming met nanometerresolutie van een biologisch monster bereikt. Het team koos ervoor om het sterke, goed begrepen tabaksmozaïekvirus als proof of concept te gebruiken en zag details zo klein als vier nanometer. .
Dit is eigenlijk de eerste keer dat deze techniek wordt toegepast op een biologisch monster, zegt Rugar. We wilden laten zien dat het echt biologie kan doen, want dat is tenslotte ons algemene doel.
Dit succesvolle experiment opent de deur naar een breed scala aan biologische toepassingen, zegt Rugar. Hij wil vooral individuele eiwitten in beeld kunnen brengen om hun interne driedimensionale structuur te bepalen.
Je hebt duizenden eiwitten in je lichaam die geen bekende structuur hebben, omdat er geen techniek is om hun structuur te bepalen, zegt Rugar. Op dit moment is de gouden standaard voor het oplossen van eiwitstructuur röntgenkristallografie, die beperkt is tot eiwitten die kunnen worden gekristalliseerd.
De nano-MRI-scanner zou niet onderworpen zijn aan die beperking. In theorie zou het, met verdere verbeteringen in resolutie, mogelijk zijn om eiwitten in hun oorspronkelijke staat te onderzoeken door ze snel te bevriezen. MRFM moet worden uitgevoerd bij een zeer lage temperatuur – nauwelijks boven het absolute nulpunt – om het geluid dat wordt veroorzaakt door thermische trillingen tot een minimum te beperken.
De echte betekenis hiervan is dat het aantoont dat de limieten van MRFM niet zijn bereikt en dat ze nog steeds op weg zijn om een atomaire imager te maken, zegt Jonathan Jacky , een onderzoeker aan de Universiteit van Washington. Een imager op atomaire schaal zou een van de belangrijkste wetenschappelijke instrumenten ooit zijn. Het zou op hetzelfde niveau zijn als de telescoop of de lichtmicroscoop. Dat is wat er echt opwindend aan is.