By Kenny Hughes-Castleberry wysłano 01 grudnia 2022 r
Obecna technologia stosowana do wykrywania i śledzenia guzów nowotworowych jest ograniczona. MRI (Magnetic Resonance Imaging) jest zwykle używany do badań przesiewowych różnych typów raka, ale nie zawsze wychwytuje wszystko. Według jeden artykuł, około 58% interpretacji MRI raka piersi może przeoczyć co najmniej jeden potencjalny guz. Chociaż nie wszystkie skany wyszukują guzów, te, które wciąż powodują wystarczająco niejasne i błędne interpretacje, że pacjenci mogą się martwić. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy z Uniwersytetu Technicznego w Monachium (TUM) pracują nad ulepszeniem obrazowania MRI za pomocą specjalnego procesu kwantowego zwanego hiperpolaryzacją.
Co to jest hiperpolaryzacja?
W skali kwantowej wiele atomów i cząsteczek ma specyficzne właściwości kręci się, co oznacza, że ich jądra lub elektrony mogą poruszać się w określony sposób. Używając pola magnetycznego, maszyna MRI może wykryć spiny tych cząsteczek w celu wykonania obrazu. Naukowcy mogą kontrolować kierunek tych obrotów poprzez polaryzacja, gdzie pole magnetyczne, a czasami elektryczne, zmusza atomy do obracania się w określony sposób. W hiperpolaryzacji atomy wirują w skrajnym kierunku, daleko poza normalną wielkość. Jeśli wszystkie spiny są wyrównane w jednym kierunku, MRI może wykryć atomy z jeszcze silniejszym sygnałem, co pozwala na większą dokładność i lepszą rozdzielczość.
Śledzenie nowotworów
Proces faktycznego wyrównania wszystkich spinów i wprowadzenia cząsteczki hiperpolaryzacja może być trudne. Aby ułatwić ten proces, naukowcy wykorzystali specjalny stan magnetyczny wodoru, zwany parawodorem, aby spróbować stworzyć silniejszy sygnał dla maszyny MRI. Według profesora Franza Schillinga z Uniwersytetu Technicznego w Monachium: „parawodór jest szczególnym stanem spinowym wodoru i ma niższy stan energetyczny niż inny stan spinowy wodoru, którym jest ortowodór”. Ze względu na swój specjalny stan wirowania parawodór jest wytwarzany w bardzo niskich temperaturach przy użyciu ciekłego azotu.
Jednak parawodór nie może być mierzony za pomocą maszyny MRI ze względu na jego dynamikę kwantową. Może jednak powodować hiperpolaryzację innych cząsteczek, wzmacniając wrażliwość skanu MRI. Używając parawodoru, naukowcy byli w stanie hiperpolaryzować pirogronian, produkt metaboliczny wytwarzany przez guzy. Śledząc, gdzie znajdował się pirogronian w skanie MRI, naukowcy mogli oszacować lokalizację guzów nowotworowych. Łącząc parawodór i stymulację falami radiowymi, naukowcy byli w stanie hiperpolaryzować atom węgla pirogronianu, widząc silniejszy sygnał w skanie MRI.
Technika guzów nowotworowych
Ponieważ wyniki sugerują skuteczniejszą metodę badań przesiewowych w kierunku guzów nowotworowych, naukowcy mają nadzieję, że metoda ta będzie stosowana w przyszłości. „Kliniczny polaryzator parawodoru potencjalnie oferuje bezpieczną, solidną i szeroko stosowaną technikę wzmacniania sygnału spinu jądrowego w celu umożliwienia obrazowania metabolicznego” dr Schilling dodany. „Obrazowanie metabolizmu daje nadzieję na ocenę wczesnej odpowiedzi na leczenie raka i wczesne wykrywanie przednowotworowych zmian nowotworowych”. Dzięki tym wynikom zespół naukowców pracuje nad stworzeniem prototypu hiperpolaryzatora, który pomoże utorować drogę do skuteczniejszych badań przesiewowych, które z kolei mogą uratować więcej istnień ludzkich.
Kenna Hughes-Castleberry jest pisarzem personelu w Inside Quantum Technology i Science Communicator w JILA (partnerstwo między University of Colorado Boulder i NIST). Jej pisarskie bity obejmują deep tech, metaverse i technologię kwantową.
