Автор AZoNano 27 мая 2021 г.

Когда врачи или ученые хотят заглянуть в живую ткань, всегда есть компромисс между тем, насколько глубоко они могут зондировать, и насколько четкой картины они могут получить.

С помощью световых микроскопов исследователи могут видеть структуры с субмикронным разрешением внутри клеток или тканей, но глубиной до миллиметра или около того, чтобы свет мог проникать без рассеяния. Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует радиочастоты, которые могут достигать любой части тела, но этот метод обеспечивает низкое разрешение – около миллиметра, или в 1000 раз хуже, чем у света.

Исследователь из Калифорнийского университета в Беркли показал, что микроскопические индикаторы алмазов могут предоставлять информацию с помощью МРТ и оптической флуоресценции одновременно, что потенциально позволяет ученым получать высококачественные изображения на глубине до сантиметра под поверхностью ткани, в 10 раз глубже. чем только свет.

Используя два режима наблюдения, этот метод также может позволить более быстрое получение изображений.

Этот метод может быть полезен в первую очередь для изучения клеток и тканей вне тела, исследования крови или других жидкостей на предмет химических маркеров болезни или для физиологических исследований на животных.

«Это, пожалуй, первая демонстрация того, что один и тот же объект может быть отображен в оптике и гиперполяризованной МРТ одновременно, », – сказал Ашок Аджой, доцент химии Калифорнийского университета в Беркли. «Существует много информации, которую вы можете получить в сочетании, потому что эти два режима лучше, чем сумма их частей. Это открывает множество возможностей, в которых вы можете ускорить отображение этих алмазных индикаторов в среде на несколько порядков ".

В методе, о котором Аджой и его коллеги сообщают на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, используется относительно новый тип биологического индикатора: микроалмазы, у которых часть атомов углерода выброшена и заменена азотом, оставляя после себя пустые пятна в кристалле – вакансии азота, которые флуоресцируют при попадании лазерного света.

Эйджой использует изотоп углерода – углерод-13 (C-13), который в природе встречается в алмазных частицах в концентрации около 1%, но также может быть дополнительно обогащен за счет замены многих доминирующих атомов углерода, углерода – 12. Ядра углерода-13 легче выравниваются или поляризовываются близлежащими спин-поляризованными центрами вакансий, которые становятся поляризованными одновременно с флуоресценцией после облучения лазером. Поляризованные ядра C-13 дают более сильный сигнал для ядерного магнитного резонанса (ЯМР) – метода, лежащего в основе МРТ.

В результате эти гиперполяризованные алмазы могут быть обнаружены как оптически – из-за флуоресцентных центров азотных вакансий – так и на радиочастотах из-за спин-поляризованного углерода-13. Это позволяет одновременно получать изображения двумя лучшими доступными методами, особенно при просмотре глубоко внутри тканей, которые рассеивают видимый свет.

«Оптическое отображение сильно страдает, когда вы погружаетесь в глубокие ткани. Даже за пределами 1 миллиметра вы получаете сильное оптическое рассеяние. Это серьезная проблема», – сказал Аджой. «Преимущество здесь заключается в том, что визуализацию можно производить в радиочастотах и ​​оптическом свете с использованием одного и того же алмазного индикатора. Та же самая версия МРТ, которую вы используете для визуализации внутри людей, может использоваться для визуализации этих алмазных частиц, даже когда сигнатура оптической флуоресценции полностью рассеяна ».

Обнаружение ядерного спина

Ajoy фокусируется на улучшении ЯМР – очень точного способа идентификации молекул – и его аналога для медицинской визуализации, МРТ, в надежде снизить стоимость и уменьшить размер аппаратов. Одним из ограничений ЯМР и МРТ является то, что необходимы большие, мощные и дорогостоящие магниты для выравнивания или поляризации ядерных спинов молекул внутри образцов или тела, чтобы их можно было обнаружить с помощью импульсов радиоволн. Но люди не могут противостоять очень сильным магнитным полям, необходимым для одновременной поляризации большого количества спинов, что обеспечило бы более качественные изображения.

Один из способов преодолеть это – настроить ядерные спины атомов, которые вы хотите обнаружить, так, чтобы большее их количество было выровнено в одном направлении, а не случайным образом. При большем количестве выровненных спинов, называемом гиперполяризацией, сигнал, обнаруживаемый по радио, становится сильнее, и можно использовать менее мощные магниты.

В своих последних экспериментах Аджой использовал магнитное поле, эквивалентное магнитному полю дешевого магнита на холодильник и недорогого зеленого лазера, чтобы гиперполяризовать атомы углерода-13 в кристаллической решетке микроалмазов.

«Оказывается, если направить свет на эти частицы, можно выровнять их спины в очень, очень высокой степени – примерно на три-четыре порядка выше, чем выравнивание спинов в аппарате МРТ. , " сказал Аджой. «По сравнению с обычными больничными МРТ, в которых используется магнитное поле в 1,5 тесла, атомы углерода поляризованы эффективно, как в магнитном поле силой 1000 тесла».

Когда алмазы нацелены на определенные участки в клетках или тканях – например, антителами, которые часто используются с флуоресцентными индикаторами – они могут быть обнаружены как с помощью ЯМР-визуализации гиперполяризованного C-13, так и флуоресценции центры вакансий азота в алмазе. Алмазы с азотными вакансиями в центре уже становятся все более широко используемыми в качестве индикаторов только для их флуоресценции.

«Мы показываем одну важную отличную особенность этих алмазных частиц, тот факт, что они поляризуют вращение – поэтому они могут очень ярко светиться в аппарате МРТ – но они также оптически флуоресцируют», он сказал . «То же самое, что наделяет их спиновой поляризацией, также позволяет им оптически флуоресцировать».

Алмазные трассеры также недороги и с ними относительно легко работать, – сказал Аджой. Вместе эти новые разработки могут в будущем позволить установить недорогой аппарат для получения изображений ЯМР на рабочем месте каждого химика. Сегодня только крупные больницы могут позволить себе МРТ в миллион долларов. В настоящее время он работает над другими методами улучшения ЯМР и МРТ, включая использование гиперполяризованных алмазных частиц для гиперполяризации других молекул.

Эксперименты проводил бывший аспирант Сюйдун Львов, используя самодельное устройство гиперполяризатора, сконструированное штатным научным сотрудником Эмануэлем Друга. Другими соавторами являются Ф. Ван, А. Агилар, Т. Маккнелли, Р. Назарян и Л. Ву из Калифорнийского университета в Беркли; Дж. Х. Уолтон из Калифорнийского университета в Дэвисе; О. Шендерова из Adamas Nanotechnologies Inc., Северная Каролина; Д. Б. Виньерон из UCSF; Карлос Мерилес из Городского университета Нью-Йорка; и профессор химической и биомолекулярной инженерии Джеффри Реймер и профессор химии Александр Пайнс из Калифорнийского университета в Беркли

Работа Аджоя была поддержана Управлением военно-морских исследований (N00014-20-1-2806).

Источник: https://www.berkeley.edu/