När läkare eller forskare vill titta in i levande vävnad, det finns alltid en avvägning mellan hur djupt de kan sondera och hur tydlig bild de kan få.

Med ljusmikroskop, forskare kan se strukturer med submikronupplösning inuti celler eller vävnad, men bara så djupt som millimetern eller så att ljus kan tränga in utan att spridas. Magnetisk resonanstomografi (MRT) använder radiofrekvenser som kan nå överallt i kroppen, men tekniken ger låg upplösning – ungefär en millimeter, eller 1, 000 gånger värre än ljus.

En forskare från University of California-Berkeley har nu visat att mikroskopiska diamantspårämnen kan ge information via MRI och optisk fluorescens samtidigt, potentiellt tillåta forskare att få bilder av hög kvalitet upp till en centimeter under vävnadsytan, 10 gånger djupare än bara ljus.

Genom att använda två observationssätt, tekniken skulle också kunna möjliggöra snabbare avbildning.

Tekniken skulle vara användbar främst för att studera celler och vävnader utanför kroppen, undersöka blod eller andra vätskor efter kemiska markörer för sjukdom, eller för fysiologiska studier på djur.

"Detta är kanske den första demonstrationen av att samma objekt kan avbildas i optik och hyperpolariserad MRI samtidigt, sa Ashok Ajoy, UC Berkeley biträdande professor i kemi. "Det finns mycket information du kan få i kombination, eftersom de två lägena är bättre än summan av deras delar. Detta öppnar upp för många möjligheter, där du kan påskynda avbildningen av dessa diamantspårämnen i ett medium med flera storleksordningar."

Tekniken, vilket Ajoy och hans kollegor rapporterar denna vecka i journalen Proceedings of the National Academy of Sciences , använder en relativt ny typ av biologiskt spårämne:mikrodiamanter som har fått några av sina kolatomer utsparkade och ersatta av kväve, lämnar efter sig tomma fläckar i kristallen - kvävevakanser - som fluorescerar när de träffas av laserljus.

Ajoy utnyttjar en isotop av kol – kol-13 (C-13) – som förekommer naturligt i diamantpartiklarna i en koncentration på cirka 1 %, men också skulle kunna berikas ytterligare genom att ersätta många av de dominerande kolatomerna, kol-12. Kol-13 kärnor är lättare anpassade, eller polariserad, av närliggande spin-polariserade vakanscentra, som blir polariserade samtidigt som de fluorescerar efter att ha blivit belysta med laser. De polariserade C-13 kärnorna ger en starkare signal för kärnmagnetisk resonans (NMR) - tekniken i hjärtat av MRI.

Som ett resultat, dessa hyperpolariserade diamanter kan detekteras både optiskt - på grund av fluorescerande kvävevakanscentra - och vid radiofrekvenser, på grund av det spinnpolariserade kolet-13. Detta möjliggör samtidig avbildning med två av de bästa tillgängliga teknikerna, med särskild fördel när man tittar djupt in i vävnader som sprider synligt ljus.

"Optisk bildbehandling lider mycket när du går i djup vävnad. Även över 1 millimeter, du får mycket optisk spridning. Detta är ett stort problem, "Ajoy sa. "Fördelen här är att avbildningen kan göras i radiofrekvenser och optiskt ljus med samma diamantspårare. Samma version av MRI som du använder för att avbilda inuti människor kan användas för att avbilda dessa diamantpartiklar, även när den optiska fluorescenssignaturen är helt utspridd."

Detekterar kärnspinn

Ajoy fokuserar på att förbättra NMR – ett mycket exakt sätt att identifiera molekyler – och dess motsvarighet för medicinsk bildbehandling, MRI, i hopp om att sänka kostnaderna och minska storleken på maskinerna. En begränsning av NMR och MRI är så stor, kraftfulla och kostsamma magneter behövs för att rikta in eller polarisera kärnsnurrarna av molekyler inuti prover eller kroppen så att de kan detekteras av pulser av radiovågor. Men människor kan inte motstå de mycket höga magnetfält som behövs för att få många snurr polariserade på en gång, vilket skulle ge bättre bilder.

Ett sätt att övervinna detta är att justera kärnspinnerna för atomerna du vill detektera så att fler av dem är inriktade i samma riktning, istället för slumpmässigt. Med fler snurr i linje, kallas hyperpolarisering, signalen som detekteras av radio är starkare, och mindre kraftfulla magneter kan användas.

I sina senaste experiment, Ajoy använde ett magnetfält som motsvarar det hos en billig kylskåpsmagnet och en billig grön laser för att hyperpolarisera kol-13-atomerna i mikrodiamanternas kristallgitter.

"Det visar sig att om du lyser ljus på dessa partiklar, du kan anpassa deras snurr till en mycket, mycket hög grad - ungefär tre till fyra storleksordningar högre än justeringen av snurr i en MRI-maskin, "Ajoy sa. "Jämfört med konventionella sjukhus MRI, som använder ett magnetfält på 1,5 tesla, kolen polariseras effektivt som de var i en 1, 000 tesla magnetfält."

När diamanterna riktas mot specifika platser i celler eller vävnad – av antikroppar, till exempel, som ofta används med fluorescerande spårämnen – de kan detekteras både genom NMR-avbildning av den hyperpolariserade C-13 och fluorescensen av kvävevakanscentra i diamanten. Diamanterna med vakanscentrum för kväve har redan blivit mer utbredda som spårämnen enbart för deras fluorescens.

"Vi visar en viktig cool egenskap hos dessa diamantpartiklar, det faktum att de spinner polariserar – därför kan de lysa väldigt starkt i en MRI-maskin – men de fluorescerar också optiskt, ", sa han. "Samma sak som ger dem spinnpolarisationen tillåter dem också att fluorescera optiskt."

Diamantspårarna är också billiga och relativt lätta att arbeta med, sa Ajoy. Tillsammans, dessa nya utvecklingar kan, i framtiden, möjliggör en billig NMR-bildmaskin på varje apoteksbänk. I dag, bara stora sjukhus har råd med miljonprislappen för MRI. Han arbetar för närvarande med andra tekniker för att förbättra NMR och MRI, inklusive användning av hyperpolariserade diamantpartiklar för att hyperpolarisera andra molekyler.