Migliore risoluzione grazie all'iperpolarizzazione

Le tecniche di imaging come la risonanza magnetica (MRI) o la tomografia computerizzata (CT) sono diventate parte integrante della medicina moderna. Questi metodi consentono diagnosi più rapide e precise e sono migliorati notevolmente negli ultimi anni. Tuttavia, la risoluzione e la qualità delle immagini sono ancora limitate dalla complessità del corpo umano. Una collaborazione di ricercatori dell'ETH di Zurigo, dell'EPFL, del CNRS, dell'ENS di Lione e del CPE di Lione ha sviluppato un nuovo metodo per analizzare il corpo umano. pagina esternanuovo approccio sviluppati per migliorare notevolmente le possibilità di imaging medico, aumentando al contempo la sicurezza dei pazienti.

Notizie ETH: Cosa sono gli HYPSO?
Christophe Copéret: Gli HYPSO sono una nuova generazione di materiali utilizzati per polarizzare le molecole in soluzione, cioè gli spin nucleari sono tutti allineati nello stesso modo. Questi materiali si presentano come una polvere bianca fine e sono costituiti da silicato, il componente principale della sabbia. ? stato sviluppato in modo da avere numerosi pori con un diametro compreso tra cinque e dieci nanometri. I radicali organici, la vera fonte di polarizzazione, sono distribuiti uniformemente sulla superficie del silicato. Abbiamo utilizzato questi materiali per polarizzare i metaboliti, importanti per la risonanza magnetica 13-C.

Quali sono i vantaggi del nuovo processo?
Nella risonanza magnetica "classica", come è oggi lo standard, il segnale proviene dai protoni presenti nell'acqua. Ciò comporta una buona sensibilità, ma il contenuto informativo non è molto elevato. Ad esempio, i tumori devono essere relativamente grandi per essere rilevati dalla risonanza magnetica convenzionale. Tuttavia, alcuni tumori che non cambiano le loro dimensioni vengono purtroppo rilevati troppo tardi. Il vantaggio della risonanza magnetica C-13 rispetto alla risonanza magnetica convenzionale è che può rilevare i prodotti metabolici e la loro concentrazione nell'organismo. Poiché le cellule tumorali hanno tassi metabolici diversi da quelli delle cellule sane, la concentrazione fornisce informazioni dirette sulle condizioni del tessuto, indipendentemente dalle dimensioni del tumore. Tuttavia, la risonanza magnetica C-13 ha una sensibilità molto inferiore rispetto alla risonanza magnetica convenzionale. Pertanto, per poter essere rilevati, i metaboliti devono essere polarizzati. Oggi i metodi di polarizzazione si basano su radicali in soluzione, che non devono entrare nel corpo e vengono quindi rimossi prima della RM. Questa separazione richiede un certo tempo. Poiché la polarizzazione decade dopo pochi secondi, le immagini perdono una preziosa risoluzione.
I nostri materiali, invece, possono essere facilmente e rapidamente rimossi dalla soluzione polarizzata mediante filtrazione. Questo ci permette di registrare gli spettri della soluzione iperpolarizzata. Speriamo che il nostro materiale contribuisca a far sì che la risonanza magnetica C-13 diventi un metodo standard.

Come funzionano gli HYPSO?
I canali dei pori sono riempiti con una soluzione di una molecola specifica, nel nostro caso il piruvato. Questo è fisiologicamente rilevante perché il piruvato viene scomposto molto rapidamente in lattato nelle cellule tumorali. L'isotopo del carbonio C-13, un isotopo non radioattivo naturalmente presente in tutti i tessuti viventi e nei prodotti metabolici, viene "polarizzato". Dopo la polarizzazione a bassa temperatura, il tutto viene scongelato, la soluzione viene filtrata e può quindi essere rilevata con la risonanza magnetica C-13.

Qual è stato il suo contributo a questo studio all'ETH di Zurigo?
Il mio gruppo all'ETH di Zurigo ha sviluppato gli HYPSO insieme al CPE di Lione. La difficoltà principale è stata quella di controllare la distribuzione dei radicali lungo i pori del silicato altamente poroso. Una distribuzione uniforme dei radicali è essenziale per la nostra applicazione e si basa sulla collaborazione tra chimici e scienziati dei materiali. I ricercatori dell'EPF di Losanna hanno umwelt und Geomatik gli strumenti per questa tecnica e l'ENS di Lione ha coordinato il progetto.

Chi ha avuto l'idea di utilizzare la polvere di silicato come agente polarizzante?
Lavoriamo da tempo con questi materiali e li utilizziamo per lo sviluppo di catalizzatori eterogenei. Grazie a questo progetto abbiamo imparato a controllare la distribuzione dei centri attivi sulla superficie. Allo stesso tempo, abbiamo recentemente sviluppato una nuova tecnica per caratterizzare la superficie di questi materiali utilizzando la risonanza magnetica nucleare (NMR) (Surface Enhanced NMR Spectroscopy - SENS). Utilizziamo una soluzione di radicali organici per polarizzare la superficie. Ci siamo chiesti se fosse possibile anche invertire la situazione per polarizzare una soluzione con un solido.

Quanto tempo è stato necessario per sviluppare il materiale e l'applicazione?
Nemmeno due anni, perché eravamo ben preparati a questa domanda grazie alla nostra ricerca sui catalizzatori. Abbiamo "solo" dovuto adattare il nostro metodo e, naturalmente, testare diversi materiali. Infine, possiamo spiegare quali materiali funzionano meglio sui dispositivi dell'EPFL.

Quali sono i prossimi passi di questo progetto?
Finora abbiamo dimostrato che i nostri materiali funzionano e vogliamo chiaramente sviluppare ulteriormente il processo per utilizzarlo nella risonanza magnetica. Attualmente stiamo studiando nuovi tipi di HYPSO che rendono possibile una polarizzazione ancora più elevata.

Quando gli HYPSO saranno disponibili in medicina?
Attualmente stiamo lavorando anche a questo. Spero che riusciremo a portare gli HYPSO in clinica nei prossimi anni.

Informazioni sulla persona
Christophe Copéret è professore ordinario di chimica inorganica presso il Dipartimento di chimica e scienze biologiche applicate (D-CHAB) dell'ETH di Zurigo dal novembre 2010. Si interessa di chimica molecolare, dei materiali e delle superfici con l'obiettivo di sviluppare materiali funzionali da utilizzare nella catalisi, nel riconoscimento molecolare, nell'imaging e nella microelettronica.