(PhysOrg.com) - Magnetisk resonansavbildning, utvecklades först i början av 1970 -talet, har blivit ett vanligt diagnostiskt verktyg för cancer, hjärt -kärlsjukdomar och neurologiska störningar, bland andra. MR är idealiskt för medicinsk bildbehandling eftersom den ger en enastående tredimensionell glimt inuti levande vävnad utan att skada vävnaden. Dock, dess användning i vetenskapliga studier har varit begränsad eftersom den inte kan avbilda något mindre än flera kubikmikrometer.

Nu kombinerar forskare 3D-förmågan hos MR med precisionen i en teknik som kallas atomkraftsmikroskopi. Denna kombination möjliggör 3D-visualisering av små exemplar som virus, celler och potentiellt strukturer inuti cellerna-en 100 miljoner gånger bättre förbättring jämfört med MR som används på sjukhus.

Förra året, Christian Degen, MIT biträdande professor i kemi, och kollegor vid IBM Almaden Research Center, där Degen arbetade som postdoktor innan han kom till MIT, använde den strategin för att bygga den första MR-enheten som kan ta 3D-bilder av virus. Förra helgen, deras papper som rapporterar förmågan att ta en MR -bild av ett tobaksmosaikvirus tilldelades Cozzarelli -priset 2009 av National Academy of Sciences, för vetenskaplig spetskompetens och originalitet inom kategorin teknik och tillämpad vetenskap.

"Det är den överlägset mest känsliga MR -avbildningstekniken som har visats, Säger Raffi Budakian, biträdande professor i fysik vid University of Illinois i Urbana-Champaign, som inte ingick i forskargruppen.

Genom att använda nanoskala MRI för att avslöja 3-D-formerna av biologiska molekyler erbjuder en betydande förbättring jämfört med röntgenkristallografi, som var nyckeln till att upptäcka dubbelhelixstrukturen i DNA men inte är väl lämpad för proteiner eftersom de är svåra att kristallisera, säger Budakian. "Det finns verkligen ingen annan teknik som kan gå i molekyl för molekyl och bestämma strukturen, " han säger. Att räkna ut sådana strukturer kan hjälpa forskare att lära sig mer om sjukdomar som orsakas av missbildade proteiner och identifiera bättre läkemedelsmål.

Denna animation visar hur magnetisk kraftresonansmikroskopi tar bilder av små prover som virus. Datorsimulering:Christian Degen

Förbättring av MR

Traditionell MR utnyttjar de mycket svaga magnetiska signalerna som avges av vätekärnor i provet som avbildas. När ett kraftfullt magnetfält appliceras på vävnaden, kärnornas magnetiska snurr justeras, generera en signal som är tillräckligt stark för att en antenn ska kunna detektera. Dock, de magnetiska snurrningarna är så svaga att ett mycket stort antal atomer (vanligtvis mer än en biljon) behövs för att skapa en bild, och bästa möjliga upplösning är cirka tre miljoner av en meter (ungefär hälften av diametern på en röd blodkropp).

1991, teoretiska fysikern John Sidles föreslog först tanken att kombinera MR med atomkraftsmikroskopi för att avbilda små biologiska strukturer. IBM -fysiker byggde det första mikroskopet baserat på den metoden, kallad magnetisk resonans kraftmikroskopi (MRFM), 1993.

Sedan dess, forskare inklusive Degen och hans IBM-kollegor har förbättrat tekniken till den punkt där den kan producera 3D-bilder med en upplösning så låg som fem till 10 nanometer, eller miljarddels meter. (Ett människohår är cirka 80, 000 nanometer tjock.)

Med MRFM, provet som ska undersökas fästs i slutet av en liten kiselfäste (cirka 100 miljoner av en meter lång och 100 miljarder meter bred). När en magnetisk järnkoboltspets rör sig nära provet, atomernas kärnvridningar dras till det och genererar en liten kraft på fribärningen. Snurren vänds sedan upprepade gånger, vilket får fribäret att försiktigt gunga fram och tillbaka i en synkron rörelse. Denna förskjutning mäts med en laserstråle för att skapa en serie 2-D-bilder av provet, som kombineras för att generera en 3D-bild.

MRFM -upplösningen är nästan lika bra (inom en faktor 10) av elektronmikroskopins upplösning, den mest känsliga bildteknik som biologer använder idag. Dock, till skillnad från elektronmikroskopi, MRFM kan avbilda känsliga prover som virus och celler utan att skada dem.

Nya mål

Degen, som blev intresserad av att fortsätta med nya MR -tekniker efter att ha sett en elektronmikroskopdemonstration på college, säger att hans arbete kan hjälpa strukturbiologer att upptäcka nya läkemedelsmål för virus.

”Vanligtvis om du vill ta reda på hur saker fungerar, du måste hitta strukturen. Annars vet du inte hur man utformar droger, " han säger. "Du arbetar i en blind fläck."

Degen och kemistudenten Ye Tao bygger nu ett MRFM -mikroskop i källaren i MIT:s byggnad 2. När det är klart, Mikroskopet kommer att vara ett av bara en handfull av sitt slag i världen. De flesta delarna är på plats och fungerar, men Degen och Tao behöver fortfarande få den kylenhet som kyler systemet till strax över absolut noll. Systemet måste kylas till 50 millikelvin för att minimera termiska vibrationer, som stör cantileverns magnetinducerade förskjutningssignal.

Degen hoppas kunna ta emot kylenheten i slutet av maj eller början av juni, men leveransen kan försenas av en pågående brist på heliumisotoper, som krävs för att uppnå nödvändig kylning. Om allt går enligt plan, Mikroskopet kan generera bilder i slutet av detta år.

Degen och två av hans studenter håller också på med en annan ny strategi för nanoskala MR. Detta tillvägagångssätt använder fluorescens istället för magnetism till bildprover. Deras nya mikroskop ersätter magnetspetsen med en diamant som har en defekt i sin kristallstruktur. Defekten, känd som en kväve-vakansdefekt, fungerar som en sensor eftersom dess fluorescensintensitet förändras genom interaktioner med magnetiska snurr. Denna installation behöver inte kylas, så att prover kan avbildas vid rumstemperatur.