آیا فیزیک کوانتومی می تواند به تشخیص تومورهای سرطانی کمک کند؟

فناوری فعلی مورد استفاده برای شناسایی و ردیابی تومورهای سرطانی محدود است. MRI (تصویربرداری تشدید مغناطیسی) معمولاً برای غربالگری انواع مختلف سرطان استفاده می شود، اما همیشه همه چیز را تشخیص نمی دهد. مطابق با یک مقاله، حدود 58 درصد از تفسیرهای MRI سرطان سینه ممکن است حداقل یک تومور بالقوه را نادیده بگیرد. اگرچه همه اسکن‌ها به دنبال تومور نیستند، اما اسکن‌هایی که هنوز وجود دارند، به اندازه کافی ابهام و تفسیر نادرست ایجاد می‌کنند که بیماران می‌توانند نگران شوند. برای حل این مشکل، محققان دانشگاه فنی مونیخ (TUMدر حال کار برای بهبود تصویربرداری MRI با استفاده از یک فرآیند کوانتومی خاص به نام hyperpolarization هستند.

Hyperpolarization چیست؟

در مقیاس کوانتومی، بسیاری از اتم ها و مولکول ها دارای ویژگی های خاص هستند چرخش، به این معنی که هسته یا الکترون آنها ممکن است به روش خاصی حرکت کنند. با استفاده از یک میدان مغناطیسی، یک دستگاه MRI می‌تواند چرخش‌های این مولکول‌ها را تشخیص دهد تا تصویری بسازد. دانشمندان می توانند جهت این چرخش ها را از طریق کنترل کنند قطبی شدن، جایی که یک میدان مغناطیسی یا گاهی اوقات یک میدان الکتریکی، اتم ها را مجبور می کند تا به روش خاصی بچرخند. در هیپرپولاریزاسیون، اتم‌ها در جهتی بسیار فراتر از مقدار معمولی می‌چرخند. اگر همه چرخش ها در یک جهت تراز شوند، MRI می تواند اتم ها را با سیگنالی حتی قوی تر تشخیص دهد، که امکان دقت بیشتر و وضوح بهتر را فراهم می کند.

ردیابی تومورها

فرآیند تراز کردن تمام چرخش ها و وارد کردن یک مولکول به داخل بیش از حد قطبی شدن می تواند دشوار باشد. برای تسهیل فرآیند، محققان از حالت مغناطیسی خاصی از هیدروژن به نام پاراهیدروژن استفاده کردند تا سیگنال قوی‌تری برای دستگاه MRI ایجاد کنند. به گفته پروفسور فرانتس شیلینگ از دانشگاه فنی مونیخ: "پارهیدروژن یک حالت اسپینی خاص از هیدروژن است و نسبت به حالت اسپینی دیگر هیدروژن که اورتوهیدروژن است، از انرژی کمتری برخوردار است." پارهیدروژن به دلیل حالت اسپین خاص خود در دماهای بسیار پایین با استفاده از نیتروژن مایع تولید می شود.

با این حال، پارهیدروژن به دلیل دینامیک کوانتومی آن توسط دستگاه MRI قابل اندازه گیری نیست. با این حال، می تواند باعث هیپرپلاریزه شدن مولکول های دیگر شود و باعث تقویت مولکول ها شود حساسیت از اسکن MRI با استفاده از پاراهیدروژن، محققان توانستند پیرووات، یک محصول متابولیکی که تومورها تولید می کنند، هیپرپلاریزه کنند. در ردیابی محل قرارگیری پیرووات در اسکن MRI، محققان توانستند محل تومورهای سرطانی را تخمین بزنند. با ترکیب پاراهیدروژن و تحریک با امواج رادیویی، محققان توانستند اتم کربن پیروات را هیپرپلاریزه کنند و سیگنال قوی تری را در اسکن MRI مشاهده کنند.

تکنیکی برای تومورهای سرطانی

از آنجایی که نتایج روش موثرتری را برای غربالگری تومور سرطانی پیشنهاد می کند، محققان امیدوارند که این روش در آینده مورد استفاده قرار گیرد. یک پلاریزه کننده بالینی پاراهیدروژن به طور بالقوه یک تکنیک ایمن، قوی و به طور گسترده ای کاربردی برای تقویت سیگنال چرخش هسته ای ارائه می دهد تا امکان تصویربرداری متابولیک را فراهم کند. دکتر شلینگ اضافه. تصویربرداری متابولیک ارزیابی پاسخ زودهنگام به درمان در سرطان و تشخیص زودهنگام ضایعات سرطانی پیش بدخیم را نوید می دهد. با این نتایج، تیمی از محققان در حال کار برای ایجاد یک نمونه اولیه از hyperpolarizer هستند که به هموار کردن راه برای غربالگری های موثرتر کمک می کند که به نوبه خود ممکن است جان افراد بیشتری را نجات دهد.

کنا هیوز-کستلبری نویسنده کارکنان Inside Quantum Technology و ارتباط دهنده علوم در JILA (شرکتی بین دانشگاه کلرادو بولدر و NIST) است. ضربات نویسندگی او شامل فناوری عمیق، متاورس و فناوری کوانتومی است.