Kredit:Colorado State University
Den icke-invasiva, livräddande tekniken som kallas magnetisk resonanstomografi fungerar genom att väteatomer riktas in i ett starkt magnetfält och pulserar radiofrekvensvågor för att omvandla responsen från dessa atomer till en bild.
Härkomstområdet för MRI, kan man hävda, är kemi - MRI fungerar genom att utnyttja de inneboende magnetiska egenskaperna hos enskilda atomer. Tänk om, istället för att bara skapa bilder, en MRI-maskin kunde extrahera detaljerad information om kroppens kemi - till exempel pH-nivåerna i närheten av en tumör eller temperaturavvikelser som uppstår runt en skada? Tänk om de fysiska principerna för magnetisk avbildning kunde tillämpas på alla möjliga kemiska förändringar, ner till nivån av atomer och molekyler, och kunde ge oss oöverträffade nya insikter om människors hälsa och sjukdomar?
Dessa "tänk om"-frågor driver arbetet med avdelningen för kemi biträdande professor Joseph Zadrozny och hans team av studenter och forskare. En oorganisk kemist som går på gränsen mellan kemi och kvantfysik, Zadrozny har byggt ett labb vid Colorado State University vars främsta mål är att designa molekyler som tillåter magnetisk resonanstomografi att göra saker som den för närvarande inte kan. Genom att göra det avslöjar forskarna grundläggande insikter om hur de magnetiska egenskaperna hos metalljoninnehållande molekyler reagerar på deras miljöer, oavsett om det innebär extremt små förändringar i temperatur, pH eller andra mått.
"Vi lever, andas, pratar kemiska reaktorer," sa Zadrozny. "Om du kunde föreställa dig den kemin skulle den vara riktigt kraftfull."
Kristallstruktur av koboltmolekylen som forskarna skapade. Den centrala blå koboltatomen fungerar som en mycket känslig temperatursond. Kredit:Colorado State University
Kärna som fungerar som en elektron
I ett genombrott mot sitt mål att göra nya magnetiska bildsonder med extrem temperaturkänslighet har Zadroznys team publicerat en artikel i Journal of the American Chemical Society som beskriver en koboltbaserad molekyl som de har konstruerat för att vara en icke-invasiv kemisk termometer. De har använt sin expertis inom molekylär design för att få koboltkomplexets kärnspinn – en arbetshäst, grundläggande magnetisk egenskap – att efterlikna den smidiga, men mindre stabila känsligheten hos en elektrons spinn. "Spin" är det som ger subatomära partiklar deras magnetism.
Genom att få koboltkärnan att i huvudsak agera som en elektron, har de visat att detta speciella koboltkomplex en dag skulle kunna utgöra grunden för en kraftfull molekylär avbildningssond som kunde läsa ut extremt subtila temperaturförändringar inuti kroppen. Fantasin kan flöda för hur detta fenomen skulle kunna användas:Läkare kunde upptäcka de minsta temperaturskiftningarna runt en fortfarande osynlig tumör. En termisk ablationsprocedur på kontoret kan få precision på molekylär nivå, döda sjuk vävnad samtidigt som frisk vävnad undviks.
Skapa en temperaturavkännande sond med koboltmaterialet, som på en läkarmottagning en dag kan injiceras eller intas för att kommunicera temperatursignaler från kroppen,
skulle dra fördel av den kontrollerbara magnetismen hos en kärna. Det skulle också ha den önskvärda egenskapen att informationsavläsning via radiofrekvensvågor, som är säkra för människo- eller djurkroppen. En sådan magnetisk sond skulle också fungera i rumstemperatur, föreställer sig forskarna.
Att använda de magnetiska egenskaperna hos spinnande elektroner – ett populärt studieområde för fysiker som försöker göra kvantdatorer – är mindre idealiskt för biomedicinsk avbildning. En anledning:att utnyttja elektronernas magnetism kräver mikrovågor, som är farliga för människor (föreställ dig att behöva mikrovågs för att få en MRT). Sådana elektronbaserade sonder skulle inte heller fungera i rumstemperatur – de skulle behöva vara mycket kallare.
Forskarna Ökten Üngör och Tyler Ozvat med det kärnmagnetiska resonansinstrument de använde för att mäta koboltmolekylen. Kredit:Colorado State University
Kärnmagnetisk resonansexperiment
För att genomföra sina experiment designade Zadroznys team under ledning av postdoktorn Ökten Üngör koboltmolekylen och testade dess temperaturkänslighet med hjälp av en 500 megahertz kärnmagnetisk resonansspektrometer placerad i CSU Analytical Resources Core. ARC är en vicepresident för forskningshanterad delad anläggning belägen i Chemistry Building som gör det möjligt för forskare över hela campus att bedriva forskning via banbrytande analytisk instrumentering.
"Vi visade, via kärnmagnetiska resonansexperiment, att känsligheten överträffade jämförbara molekyler i storleksordningar," sa Üngör.
Ett brett spektrum av tillämpningar kan finnas i beredskap för forskarnas koboltmolekyl. "Kemin kring koboltatomen är mycket avstämbar, och vi kan kontrollera den i hög grad," sa Üngör. "Det här arbetet visar inte bara lovande inom det medicinska området, utan de grundläggande stegen och teorin kan leda till steg framåt inom kvantberäkningsområdet. Vi kan hitta ännu fler tillämpningar när vi fortsätter vår forskning."
Teamet kan nästa utforska förbättrad design av den koboltbaserade bildsonden för att göra den mer stabil i vattenlösning. För närvarande är materialets temperaturkänslighet häpnadsväckande, men molekylen är inte tillräckligt robust för att överleva i kroppen under lång tid, vilket skulle vara nödvändigt i en medicinsk tillämpning. + Utforska vidare
