האם פיזיקת הקוונטים יכולה לעזור באיתור גידולים סרטניים?

הטכנולוגיה הנוכחית המשמשת לאיתור ומעקב אחר גידולים סרטניים מוגבלת. MRI (דמיית תהודה מגנטית) משמשת בדרך כלל לבדיקת סוגים שונים של סרטן, אך לא תמיד היא תופסת הכל. לפי מאמר אחד, כ-58% מהפרשנויות של MRI של סרטן השד עשויות להתעלם לפחות מגידול פוטנציאלי אחד. למרות שלא כל הסריקות מחפשות גידולים, אלו שעדיין גורמות לחוסר מעורפל ופרשנות שגויה כדי שהמטופלים יכולים להיות מודאגים. כדי לפתור בעיה זו, חוקרים מהאוניברסיטה הטכנית של מינכן (TUM) פועלים לשיפור הדמיית MRI על ידי שימוש בתהליך קוונטי מיוחד הנקרא היפרפולריזציה.

מהי היפרפולריזציה?

בקנה מידה קוונטי, לאטומים ולמולקולות רבות יש ספציפיות ספינים, כלומר הגרעינים או האלקטרונים שלהם עשויים לנוע בצורה מסוימת. באמצעות שדה מגנטי, מכונת MRI יכולה לקלוט את הספינים של מולקולות אלה כדי ליצור תמונה. מדענים יכולים לשלוט בכיוון של ספינים אלה באמצעות קיטוב, כאשר שדה מגנטי, או לפעמים שדה חשמלי, מאלץ את האטומים להסתובב בצורה מסוימת. בהיפרפולריזציה, אטומים מסתובבים בכיוון קיצוני, הרבה מעבר לכמות נורמלית. אם כל הספינים מיושרים בכיוון אחד, ה-MRI יכול לזהות את האטומים עם אות חזק עוד יותר, מה שמאפשר דיוק רב יותר ורזולוציה טובה יותר.

מעקב אחר גידולים

תהליך למעשה יישור כל הספינים והכנסת מולקולה פנימה היפרפולריזציה יכול להיות קשה. כדי להקל על התהליך, החוקרים השתמשו במצב מגנטי מיוחד של מימן, הנקרא parahydrogen כדי לנסות וליצור אות חזק יותר עבור מכשיר ה-MRI. לדברי פרופסור פרנץ שילינג מהאוניברסיטה הטכנית של מינכן: "פארה-מימן הוא מצב ספין מיוחד של מימן והוא נמצא במצב אנרגיה נמוך יותר ממצב הספין האחר של מימן שהוא אורתו-מימן." בגלל מצב הספין המיוחד שלו, פרהמימן מיוצר בטמפרטורות נמוכות מאוד באמצעות חנקן נוזלי.

עם זאת, לא ניתן למדוד פרה-מימן במכשיר MRI בשל הדינמיקה הקוונטית שלו. עם זאת, זה יכול לגרום להיפרפולריזציה של מולקולות אחרות, להגביר את ה רגישות של סריקת ה-MRI. באמצעות פרהמימן, החוקרים הצליחו לעשות היפרפולריזציה של פירובט, מוצר מטבולי שגידולים מייצרים. במעקב אחר היכן היה פירובט בסריקת MRI, החוקרים יכלו להעריך את מיקומם של גידולים סרטניים. בשילוב של פרה-מימן וגירוי עם גלי רדיו, החוקרים הצליחו לעשות היפרפולריזציה של אטום פחמן של פירובט, וראו אות חזק יותר בסריקת ה-MRI.

טכניקה לגידולים סרטניים

מכיוון שהתוצאות הציעו שיטה יעילה יותר לבדיקות גידול סרטני, החוקרים מקווים ששיטה זו תשמש בעתיד. "מקטב פרה-מימן קליני מציע פוטנציאל טכניקה בטוחה, חזקה ויישימה נרחבת כדי לשפר את האות של ספין גרעיני כדי לאפשר הדמיה מטבולית." ד"ר שילינג הוסיף. "הדמיה מטבולית מבטיחה הערכה של תגובה מוקדמת לטיפול בסרטן וגילוי מוקדם של נגעים סרטניים טרום ממאירים." עם תוצאות אלו, צוות חוקרים פועל ליצירת אב טיפוס של ההיפרפולריזר, שעוזר לסלול את הדרך להקרנות אפקטיביות יותר, אשר בתורן עשויות להציל חיים נוספים.

קנה יוז-קסטלברי היא כותבת צוות ב-Inside Quantum Technology ו-Science Communicator ב-JILA (שותפות בין אוניברסיטת קולורדו בולדר ו-NIST). פעימות הכתיבה שלה כוללות Deep Tech, Metaverse וטכנולוגיה קוונטית.