211service.com
Multicolor MRI för molekylär avbildning
Magnetisk resonanstomografi (MRT) är en klinisk arbetshäst som producerar utsökt detaljerade 3D-bilder av tumörer, blodkärl, ben och strukturer djupt inne i kroppen. MRI-bilder är i gråtoner och deras kontrast är baserad på hur mycket vatten som finns i den del av kroppen som studeras. Nu har fysiker tillverkat magnetiska miniatyrpartiklar som kan lysa upp MRT med en regnbåge av färger som förmedlar en mängd information om sjukdomstillstånd och beteende hos vävnader i kroppen.
Minimagneter: Injicerade i kroppen kan magnetiska partiklar i mikroskala (överst) ge färgade magnetiska resonansbilder som låter läkare undersöka den molekylära grunden för sjukdomar, inklusive cancer. Längst ner finns ett rutnät av minimagneter innan de tas bort från halvledarskivan som de är tillverkade på med hjälp av standardtekniker från datorindustrin.
Forskning på dessa partiklar, som pågår vid National Institute of Standards and Technology, i Boulder, CO, är i ett tidigt skede, och partiklarna har inte testats på djur. Men om flerfärgs-MR lever upp till sitt löfte kan det ge visuell information på nivån av gener, proteiner och andra molekyler. Forskare hoppas att sådan molekylär avbildning så småningom kommer att bli en del av personlig medicin, vilket gör att läkare bokstavligen kan se de processer som ligger bakom en enskild patients inflammation eller tumörtillväxt och sedan ordinera rätt terapi med mindre gissningar. De flesta molekylära avbildningstekniker är optiska och involverar fluorescerande taggar som de små partiklarna av halvledarmaterial som kallas kvantprickar. Men ljuset som sänds ut av dessa taggar kan bara resa genom ungefär en centimeter vävnad, så de är inte särskilt användbara för att avbilda organ. MRT ger en icke-invasiv look under ytan.
Magnetiska resonansbilder genereras från radiofrekvenssignaler som sänds ut av vattenmolekyler inuti kroppen. När den starka cirkulära magneten som omger patienten slås på, kommer kärnorna av väteatomer inuti patientens kropp i linje med magnetfältet. En radiofrekvenspuls slår dem ur riktning, och när de snäpper tillbaka på plats frigör de sin överskottsenergi som radiovågor.
Partiklarna designade av National Institute of Standards and Technology (NIST) fungerar som miniatyrmagneter, vilket orsakar en förutsägbar förändring i frekvensen av radiovågorna som sänds ut av vatten som strömmar genom dem. Storleken på denna förändring är direkt relaterad till storleken och formen på partiklarna, som består av två skivformade nickelmagneter som hålls samman av omagnetiska stolpar. De olika radiofrekvensskiftningarna kan kartläggas på spektrumet av färger av synligt ljus.
Vi kan konstruera vilken färg vi vill, säger Gary Zabow, en fysiker i NIST:s elektromagnetiska division som leder partiklarnas utveckling. Med hjälp av mikrotillverkningstekniker som är standard inom datorindustrin, säger han, får vi dessa färger genom att kontrollera partiklarnas exakta form.
Mikromagneterna ändrar frekvensen för endast de radiovågor som sänds ut av vatten som färdas mellan deras beståndsdelar. Om det här utrymmet är blockerat, säger Zabow, har partiklarna ingen effekt på MRI-signalen. Följaktligen kan mikromagneterna fungera som kemiska miniatyrsensorer. Man kan avsiktligt blockera utrymmet med ett material som smälter vid en viss temperatur eller som på något sätt är reaktivt, expanderar eller krymper under specifika förhållanden inuti kroppen, säger Zabow.
Kontrastmedel för MRT finns redan, och vissa av dem kan till och med riktas mot särskilda vävnader eller celltyper. Liksom NIST-mikromagneterna får dessa medel en del av bilden att se ljusare eller mörkare ut genom att flytta radiofrekvenserna som sänds ut av protoner. Till skillnad från NIST-partiklarna är de dock gjorda med kemiska tekniker, så dimensionerna på deras partiklar kan inte kontrolleras noggrant. Som en konsekvens förskjuter de frekvenserna för protonernas signaler oförutsägbart. I genomsnitt ger de en kontrast till standard MRI-signalen, men de kan inte erbjuda mer exakta, lokala distinktioner.
Om du skulle lägga in två [sådana agenter], kunde du inte se skillnad på dem, säger Richard Bowtell , professor i fysik vid Institute of Neuroscience vid University of Nottingham, i England. Varje NIST-partikel producerar dock en distinkt signatur. Om du lägger in dem alla samtidigt kan du se vilken signal som hör till vilken, säger Bowtell.
Mikromagneterna, som beskrivs denna vecka i tidskriften Natur , har hittills tillverkats av nickel, som är giftigt. Men Zabow säger att de lätt kan tillverkas av järn, som är giftfritt och magnetiskt. Forskarna undersöker idén om att använda partiklarna som sensorer för fysiologiska tillstånd inuti kroppen, säger Zabow, men han varnar för att de först nu tar det första steget i den riktningen och planerar tester i celler.