С помощью световых микроскопов исследователи могут видеть структуры с субмикронным разрешением внутри клеток или тканей, но только на глубину до миллиметра или около того, чтобы свет мог проникать без рассеяния. Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует радиочастоты, которые могут достигать любого участка 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 ниже поверхности ткани, в 10 раз глубже, чем просто 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 одновременно в оптике и гиперполяризованной МРТ», – сказал Ашок Эйджой, доцент кафедры химии Калифорнийского университета в Беркли. "Есть много информации, которую вы можете получить в сочетании, потому что два режима лучше, чем сумма их частей. Это открывает множество возможностей, позволяющих на несколько порядков ускорить визуализацию алмазных индикаторов в среде."
Этот метод, о котором Аджой и его коллеги сообщают на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, использует относительно новый тип биологических индикаторов: микроалмазы, из которых некоторые атомы углерода были вытеснены и заменены азотом, оставляя пустые пятна в кристалле – вакансии азота – которые флуоресцируют при попадании лазерного света.
Ajoy использует изотоп углерода – углерод-13 (C-13), который естественным образом 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, что особенно полезно при взгляде глубоко внутрь тканей, которые рассеивают видимый свет.
"Оптическое изображение 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 в том, что изображение может быть выполнено 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 если 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, чтобы больше из них были выровнены 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 для гиперполяризации атомов углерода-13 в кристаллической решетке микроалмазов.
«Оказывается, если направить свет на эти частицы, можно выровнять их вращение в очень, очень высокой степени – примерно на три-четыре порядка выше, чем выравнивание спинов в аппарате МРТ», – сказал Эйджой. "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 – их можно обнаружить как с помощью ЯМР-визуализации гиперполяризованного C-13, так и флуоресценции азотной вакансии. центры 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 отличительную особенность этих алмазных частиц, тот факт, что они поляризуют вращение – поэтому они могут очень ярко светиться в аппарате МРТ – но они также оптически флуоресцируют», – сказал он. "То же самое, что наделяет их спиновой поляризацией, также позволяет им оптически флуоресцировать."
По словам Аджоя, алмазные индикаторы также недороги и с ними относительно легко работать. 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.