Nowa technologia czujników atomowych usprawnia kontrolę jakości rezonansu magnetycznego poprzez śledzenie hiperpolaryzowanych cząsteczek w czasie rzeczywistym, co może przynieść potencjalne korzyści różnym dziedzinom nauki.
Rezonans magnetyczny (MRI) to podstawowe narzędzie współczesnej medycyny, umożliwiające szczegółowy obraz narządów i tkanek wewnętrznych. Te duże, rurkowate urządzenia MRI, powszechnie spotykane w szpitalach, wykorzystują potężne magnesy do analizy i wizualizacji gęstości cząsteczek wody i tłuszczu w organizmie.
Oprócz tych cząsteczek można również mapować inne substancje, takie jak metabolity, ale ich stężenia są często zbyt niskie, aby uzyskać wyraźne obrazy. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, stosuje się technikę znaną jako hiperpolaryzacja w celu wzmocnienia sygnału rezonansu magnetycznego tych substancji, dzięki czemu są one bardziej widoczne podczas skanów MRI.
Hiperpolaryzacja polega na przygotowaniu substancji na zewnątrz ciała do stanu, w którym jej namagnesowanie – kluczowe dla tworzenia obrazów MRI – jest bliskie maksimum. Proces ten może wzmocnić sygnał tysiące razy w porównaniu do jego naturalnego stanu. Po hiperpolaryzacji substancję wstrzykuje się pacjentowi i transportuje do docelowego narządu lub tkanki. Zanim jednak to nastąpi, istotne jest potwierdzenie, w drodze rygorystycznych procesów kontroli jakości, że substancja jest odpowiednio hiperpolaryzowana.
Obecne techniki kontroli jakości stoją przed dwoma znaczącymi wyzwaniami. Po pierwsze, metody te często zmniejszają namagnesowanie próbki podczas procesu odczytu, zmniejszając w ten sposób jej zdolność do poprawy skanu MRI. Po drugie, czas wymagany do pomiaru może być długi, podczas którego namagnesowanie substancji w naturalny sposób zanika, ograniczając możliwość kolejnych pomiarów. Powoduje to brak krytycznych danych, które w przeciwnym razie mogłyby pomóc zmaksymalizować skuteczność hiperpolaryzacji. Co więcej, gdy próbka ulegnie hiperpolaryzacji, istnieje ryzyko, że może utracić swoje namagnesowanie podczas transportu do urządzenia MRI. Tradycyjne techniki kontroli jakości, ze względu na ich czasochłonny charakter, mogą nie wykryć tej straty na czas.
Teraz, dzięki współpracy badaczy z IBEC, dr Jamesa Eillsa (obecnie w Forschungszentrum Jülich, Niemcy) i dr Irene Marco Rius oraz badaczy z ICFO, prof. Morgana W. Mitchella i dr Michaela CD Taylera, zademonstrowano, w jaki sposób techniki czujników atomowych pokonują ograniczenia konwencjonalnego pobierania próbek podczas pomiaru namagnesowania materiałów hiperpolaryzowanych. O przełomie tym poinformowano niedawno w czasopiśmie PNAS.
W szczególności zespół wykorzystał magnetometry atomowe z pompą optyczną (OPM), których zasady działania różnią się zasadniczo od tradycyjnych czujników, umożliwiając wykrywanie w czasie rzeczywistym pól wytwarzanych przez hiperpolaryzowane cząsteczki. Charakter OPM pozwolił tym badaczom na prowadzenie ciągłych, nieniszczących obserwacji o wysokiej rozdzielczości przez cały eksperyment, łącznie z samym procesem hiperpolaryzacji.
Zdaniem autorów, gdyby obszarem wykrywania hiperpolaryzacji było kino, poprzednie metody przypominałyby sekwencję nieruchomych zdjęć, pozostawiając fabułę pomiędzy zamrożonymi obrazami otwartą dla widza. „Zamiast tego nasza technika przypomina bardziej film, w którym klatka po klatce widać całą historię. Zasadniczo możesz obserwować w sposób ciągły i bez ograniczeń rozdzielczości, dzięki czemu nie umknie Ci żaden szczegół!” wyjaśnia dr Michael Tayler, badacz ICFO i współautor artykułu.
Odkryte zachowania związków chemicznych podczas namagnesowania
Zespół przetestował ich OPM, monitorując hiperpolaryzację klinicznie istotnych cząsteczek. Bezprecedensowa rozdzielczość czujników atomowych i śledzenie w czasie rzeczywistym pozwoliły im obserwować, jak polaryzacja związku metabolitu ([1-13C]-fumaran) wyewoluował w obecności pola magnetycznego.
Czujniki atomowe ujawniły „ukrytą dynamikę spinu”, która dotychczas pozostawała niezauważona, oferując nową ścieżkę w kierunku optymalizacji hiperpolaryzacji od samego początku procesu. „Poprzednie metody maskowały subtelne oscylacje profilu namagnesowania, które wcześniej pozostawały niewykryte” – zauważa Tayler. „Bez OPM osiągnęlibyśmy suboptymalną polaryzację końcową, nawet nie zdając sobie z tego sprawy”. Poza prostą obserwacją metodę tę można wykorzystać do kontrolowania procesu polaryzacji w czasie rzeczywistym i zatrzymywania go w najdogodniejszym momencie, na przykład po osiągnięciu maksymalnej polaryzacji.
Badanie ujawniło inne nieoczekiwane zachowanie, gdy zespół zastosował pole magnetyczne w celu wielokrotnego namagnesowania i rozmagnesowania hiperpolaryzowanej cząsteczki fumaranu. Spodziewali się, że namagnesowanie wzrośnie do maksimum, a następnie będzie stale powracać do zera, za każdym razem płynnie przechodząc z jednego stanu do drugiego. Wbrew tym prostym oczekiwaniom cząsteczka wykazywała złożoną dynamikę ze względu na ukryte rezonanse przy określonych czasach trwania magnetyzacji-rozmagnesowania i polach magnetycznych.
„Ta wiedza pomoże nam wykryć, kiedy pojawia się niepożądane zachowanie i dostosować parametry (takie jak czas trwania cyklu lub natężenie pola magnetycznego), aby temu zapobiec” – wyjaśnia Tayler.
Praca stanowi postęp w technologii hiperpolaryzowanego MRI, w dużej mierze dzięki wspólnym wysiłkom grupy Molecular Imaging for Precision Medicine IBEC i grupy Atomic Quantum Optics ICFO. Doświadczenie IBEC w zakresie metod hiperpolaryzacji oraz wiedza ICFO w zakresie technologii wykrywania OPM odegrały kluczową rolę w osiągnięciu wyników.
„To piękny przykład nowej nauki, którą można osiągnąć, gdy badacze z różnych dyscyplin współpracują ze sobą, a bliskość IBEC i ICFO oznacza, że mogliśmy ściśle współpracować i osiągnąć coś naprawdę nowatorskiego” – przyznaje dr James Eills, IBEC badacz i pierwszy autor artykułu.
Doktor Tayler tak wspomina sukces zespołu: „Pomiary OPM od początku działały znakomicie. Wyjątkowa czułość czujników ujawniła ukrytą dynamikę, której się nie spodziewaliśmy, jakby były przeznaczone do tego celu. Łatwość obsługi i bogactwo nowych informacji czynią je potężnym narzędziem do monitorowania hiperpolaryzacji.
Korzyści dla MRI i innych przyszłych zastosowań
Bezpośrednim zastosowaniem tego badania byłoby włączenie przenośnych czujników atomowych do kontroli jakości próbek klinicznych do badania MRI, co jest obecnie wdrażane przez zespół ICFO w ramach projektu hiszpańskiego ministerstwa „SEE-13-MRI”. W ten sposób można doprowadzić cząsteczki do najwyższego możliwego poziomu polaryzacji podczas hiperpolaryzacji i wiarygodnie poświadczyć poziom polaryzacji przed wstrzyknięciem substancji pacjentom.
Rozwój ten mógłby znacznie zmniejszyć koszty i wyzwania logistyczne związane z metabolicznym MRI. Jeśli tak, rozszerzyłoby to jego zasięg z kilku wyspecjalizowanych ośrodków badawczych, w których jest obecnie stosowany, do wielu szpitali na całym świecie.
Jednak potencjał czujników atomowych wykracza daleko poza obrazowanie medyczne. Ten sam nieniszczący system śledzenia w czasie rzeczywistym wykorzystujący magnetometry pompowane optycznie (OPM) można zastosować do monitorowania makrocząsteczek w procesach chemicznych, badania celów w zakresie fizyki wysokich energii, a nawet optymalizacji algorytmów opartych na wirowaniu w obliczenia kwantowe. Według dr Taylera: „Opracowana przez nas metoda otwiera nowe możliwości nie tylko udoskonalenia MRI, ale także różnych dziedzin, które opierają się na precyzyjnym wykrywaniu magnetycznym, i jesteśmy podekscytowani jej dalszym rozwojem”.
Odniesienie: „Obserwacja magnetyczna na żywo dynamiki hiperpolaryzacji parawodoru” Jamesa Eillsa, Morgana W. Mitchella, Irene Marco Rius i Michaela CD Taylera, 15 października 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2410209121
