By Kenna Hughes-Castleberry geplaatst op 01 december 2022
De huidige technologie die wordt gebruikt om kankertumoren te detecteren en te volgen, is beperkt. MRI (Magnetic Resonance Imaging) wordt meestal gebruikt om verschillende soorten kanker op te sporen, maar het registreert niet altijd alles. Volgens één artikel, Ongeveer 58% van de MRI-interpretaties van borstkanker kan ten minste één potentiële tumor over het hoofd zien. Hoewel niet alle scans naar tumoren zoeken, veroorzaken de scans die er wel zijn nog steeds voldoende vaagheid en verkeerde interpretaties waardoor patiënten zich zorgen kunnen maken. Om dit probleem op te lossen hebben onderzoekers van de Technische Universiteit van München (TUM) werken aan het verbeteren van MRI-beeldvorming door gebruik te maken van een speciaal kwantumproces dat hyperpolarisatie wordt genoemd.
Wat is hyperpolarisatie?
Op kwantumschaal hebben veel atomen en moleculen specifieke eigenschappen draait, wat betekent dat hun kernen of elektronen op een specifieke manier kunnen bewegen. Met behulp van een magnetisch veld kan een MRI-machine de spins van deze moleculen oppikken om een beeld te maken. Wetenschappers kunnen de richting van deze spins bepalen via polarisatie, waar een magnetisch, of soms een elektrisch veld de atomen dwingt om op een bepaalde manier te draaien. Bij hyperpolarisatie draaien atomen in een extreme richting, veel verder dan normaal. Als alle spins in één richting zijn uitgelijnd, kan de MRI de atomen met een nog sterker signaal detecteren, wat een grotere nauwkeurigheid en een betere resolutie mogelijk maakt.
Tumoren volgen
Het proces waarbij alle spins feitelijk op één lijn worden gebracht en er een molecuul in terechtkomt hyperpolarisatie kan moeilijk zijn. Om het proces eenvoudiger te maken, gebruikten de onderzoekers een speciale magnetische toestand van waterstof, parahydrogen genaamd, om te proberen een sterker signaal voor de MRI-machine te creëren. Volgens hoogleraar Franz Schilling van de Technische Universiteit van München: “parawaterstof is een speciale spintoestand van waterstof en bevindt zich in een lagere energietoestand dan de andere spintoestand van waterstof, namelijk orthowaterstof.” Vanwege de speciale spintoestand wordt parawaterstof bij zeer lage temperaturen geproduceerd met behulp van vloeibare stikstof.
Parawaterstof kan echter vanwege de kwantumdynamiek niet door een MRI-machine worden gemeten. Het kan echter de hyperpolarisatie van andere moleculen veroorzaken, waardoor de gevoeligheid van de MRI-scan. Met behulp van parawaterstof konden de onderzoekers pyruvaat hyperpolariseren, een metabolisch product dat tumoren produceren. Door te volgen waar pyruvaat zich op een MRI-scan bevond, konden de onderzoekers de locatie van kankertumoren schatten. Door parawaterstof en stimulatie met radiogolven te combineren, konden de onderzoekers een koolstofatoom van pyruvaat hyperpolariseren, waardoor een sterker signaal op de MRI-scan te zien was.
Een techniek voor kankertumoren
Omdat de resultaten een effectievere methode voor het screenen van kankertumoren suggereerden, hopen de onderzoekers dat deze methode in de toekomst zal worden gebruikt. “Een klinische parawaterstofpolarisator biedt potentieel een veilige, robuuste en breed toepasbare techniek om het signaal van nucleaire spin te versterken om metabolische beeldvorming mogelijk te maken,” Dr. Schilling toegevoegd. “Metabole beeldvorming belooft beoordeling van een vroege respons op therapie bij kanker en vroege detectie van pre-kwaadaardige kankerlaesies.” Met deze resultaten werkt een team van onderzoekers aan het creëren van een prototype van de hyperpolarisator, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor effectievere screenings, die op hun beurt meer levens kunnen redden.
Kenna Hughes-Castleberry is een stafschrijver bij Inside Quantum Technology en de Science Communicator bij JILA (een samenwerking tussen de University of Colorado Boulder en NIST). Haar schrijfritmes omvatten deep tech, de metaverse en kwantumtechnologie.
