ฟิสิกส์ควอนตัมสามารถช่วยตรวจหาเนื้องอกมะเร็งได้หรือไม่?

เทคโนโลยีปัจจุบันที่ใช้ในการตรวจหาและติดตามเนื้องอกมะเร็งมีจำกัด MRI (Magnetic Resonance Imaging) มักใช้เพื่อตรวจหามะเร็งชนิดต่างๆ แต่ก็ไม่ได้จับได้ทุกอย่างเสมอไป ตาม บทความหนึ่ง ประมาณ 58% ของการตีความ MRI ของมะเร็งเต้านมอาจมองข้ามเนื้องอกอย่างน้อยหนึ่งชนิด แม้ว่าจะไม่ใช่การสแกนทั้งหมดเพื่อหาเนื้องอก แต่การสแกนที่ยังคงทำให้เกิดความคลุมเครือและการตีความที่ผิดมากพอที่ผู้ป่วยอาจกังวลได้ เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิค (TUM) กำลังทำงานเพื่อปรับปรุงภาพ MRI โดยใช้กระบวนการควอนตัมพิเศษที่เรียกว่าไฮเปอร์โพลาไรเซชัน

ไฮเปอร์โพลาไรเซชันคืออะไร?

ในระดับควอนตัม อะตอมและโมเลกุลจำนวนมากมีความเฉพาะเจาะจง สปิน หมายความว่านิวเคลียสหรืออิเล็กตรอนของพวกมันอาจเคลื่อนที่ในลักษณะเฉพาะ การใช้สนามแม่เหล็ก เครื่อง MRI สามารถจับการหมุนของโมเลกุลเหล่านี้เพื่อสร้างภาพ นักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมทิศทางของการหมุนเหล่านี้ได้ผ่านทาง โพลาไรซ์, โดยที่สนามแม่เหล็กหรือบางครั้งสนามไฟฟ้าบังคับให้อะตอมหมุนไปทางใดทางหนึ่ง ในไฮเปอร์โพลาไรเซชัน อะตอมจะหมุนไปในทิศทางที่รุนแรงเกินกว่าจำนวนปกติ หากการหมุนทั้งหมดอยู่ในแนวเดียวกัน MRI สามารถตรวจจับอะตอมด้วยสัญญาณที่แรงกว่า ทำให้มีความแม่นยำและความละเอียดที่ดีขึ้น

การติดตามเนื้องอก

กระบวนการจัดตำแหน่งสปินทั้งหมดและรับโมเลกุลเข้าไป ไฮเปอร์โพลาไรเซชัน อาจเป็นเรื่องยาก เพื่อทำให้กระบวนการนี้ง่ายขึ้น นักวิจัยได้ใช้สถานะแม่เหล็กพิเศษของไฮโดรเจนที่เรียกว่า พาราไฮโดรเจน เพื่อพยายามสร้างสัญญาณที่แรงขึ้นสำหรับเครื่อง MRI ตามที่ศาสตราจารย์ ฟรานซ์ ชิลลิง ของมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก: “พาราไฮโดรเจนเป็นสถานะการหมุนพิเศษของไฮโดรเจน และอยู่ในสถานะพลังงานต่ำกว่าสถานะการหมุนอื่นๆ ของไฮโดรเจนซึ่งเป็นออร์โธไฮโดรเจน” เนื่องจากสถานะการปั่นพิเศษ พาราไฮโดรเจนจึงถูกผลิตขึ้นที่อุณหภูมิต่ำมากโดยใช้ไนโตรเจนเหลว

อย่างไรก็ตาม พาราไฮโดรเจนไม่สามารถวัดได้ด้วยเครื่อง MRI เนื่องจากไดนามิกส์ควอนตัม มันสามารถทำให้เกิดการไฮเปอร์โพลาไรเซชันของโมเลกุลอื่นได้ ความไว ของการสแกน MRI ด้วยการใช้พาราไฮโดรเจน นักวิจัยสามารถไฮเปอร์โพลาไรซ์ไพรูเวต ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์เมตาบอลิซึมที่เนื้องอกผลิตขึ้น ในการติดตามตำแหน่งของไพรูเวตในการสแกน MRI นักวิจัยสามารถประเมินตำแหน่งของเนื้องอกมะเร็งได้ เมื่อรวมพาราไฮโดรเจนเข้ากับการกระตุ้นด้วยคลื่นวิทยุ นักวิจัยก็สามารถไฮเปอร์โพลาไรซ์อะตอมของคาร์บอนของไพรูเวตได้ โดยเห็นสัญญาณที่แรงกว่าในการสแกน MRI

เทคนิคสำหรับเนื้องอกมะเร็ง

เนื่องจากผลการวิจัยแนะนำวิธีการตรวจคัดกรองมะเร็งที่มีประสิทธิภาพมากกว่า นักวิจัยจึงหวังว่าจะนำวิธีนี้ไปใช้ในอนาคต “โพลาไรเซอร์พาราไฮโดรเจนทางคลินิกอาจนำเสนอเทคนิคที่ปลอดภัย แข็งแกร่ง และนำไปใช้ได้อย่างกว้างขวางเพื่อเพิ่มสัญญาณของการหมุนของนิวเคลียร์เพื่อให้สามารถถ่ายภาพเมตาบอลิซึมได้” ดร. ชิลลิง เพิ่ม "การถ่ายภาพเมตาบอลิซึมสัญญาว่าจะประเมินการตอบสนองต่อการรักษามะเร็งในระยะแรกและการตรวจหารอยโรคที่เป็นมะเร็งในระยะเริ่มต้น" ด้วยผลลัพธ์เหล่านี้ ทีมนักวิจัยกำลังทำงานเพื่อสร้างต้นแบบของไฮเปอร์โพลาไรเซอร์ ซึ่งช่วยปูทางไปสู่การตรวจคัดกรองที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งอาจช่วยชีวิตคนได้มากขึ้น

Kenna Hughes-Castleberry เป็นนักเขียนที่ Inside Quantum Technology และ Science Communicator ที่ JILA (ความร่วมมือระหว่าง University of Colorado Boulder และ NIST) จังหวะการเขียนของเธอมีทั้ง Deep Tech, Metaverse และเทคโนโลยีควอนตัม