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La tecnologia di MRI rompe un nuovo terreno nella rappresentazione molecolare

I Ricercatori con il Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti il Laboratorio Nazionale del Lawrence Berkeley E l'Università di California a Berkeley hanno sviluppato una nuova tecnica per imaging a risonanza magnetica (MRI) che tiene conto rilevazione dei segnali dalle molecole presenti a 10.000 concentrazioni più basse di volte che le Tecniche di risonanza magnetica convenzionali.

HYPER-CEST Chiamato, dato che il trasferimento chimico di saturazione di scambio di xeno hyperpolarized, questa nuova tecnica tiene la grande promessa per la rappresentazione molecolare, in cui la distribuzione spaziale delle molecole specifiche è individuata all'interno di un organismo. Infine, HYPER-CEST ha potuto trasformarsi in in uno strumento apprezzato per la diagnosi medica, compreso l'individuazione tempestiva di cancro.

In due documenti pubblicati nella Scienza delle pubblicazioni e nel Giornale di A risonanza magnetica, il gruppo dei rapporti dei ricercatori su una tecnica in cui gli atomi del xeno sono stati hyperpolarized con luce laser migliorare il loro segnale di MRI, hanno incorporati in un biosensore della gabbia del nanoscale ed hanno collegati agli obiettivi specifici del legante o della proteina. Questi biosensori hyperpolarized del xeno generano il contrasto altamente selettivo ai siti in cui sono limitati, amplificanti drammaticamente la concentrazione del segnale di MRI e con conseguente immagini spaziali dell'obiettivo molecolare o cellulare scelto. Questa ricerca piombo dai Pini, dal Ph.D. e da David Wemmer, Ph.D. di Alexander

“La Nostra Tecnica di risonanza magnetica molecolare di HYPER-CEST fa l'uso ottimale dei segnali hyperpolarized del xeno creando un forte segnale nelle regioni dove il biosensore è presente, tenendo conto la determinazione non invadente facile della molecola dell'obiettivo,„ ha detto i Pini. Wemmer ha aggiunto, “Altri agenti molecolari di contrasto di MRI fornisce i piccoli cambi nei grandi segnali di MRI, rendenti i cambiamenti difficili individuare quando la quantità di associazione dell'agente di contrasto è piccola. Il Nostro agente di contrasto di HYPER-CEST fornisce un grande cambiamento nel segnale del xeno MRI, che il mezzo è molto più facile da individuare anche se i segnali del xeno MRI sono piuttosto piccoli.„

Oltre al suo intrinsecamente più alto contrasto, un altro vantaggio con la tecnica di HYPER-CEST che i sui effetti possono “essere multiplexati,„ sta significando che i biosensori polarizzati del xeno possono essere mirati a per individuare le proteine differenti allo stesso tempo in un singolo campione. Questa capacità, che non è divisa dalla maggior parte dei agenti molecolari convenzionali di contrasto di MRI, apre una serie di possibilità per i sistemi diagnostici futuri. Per esempio, come strumento diagnostico per la rilevazione di cancro, con i medici di HYPER-CEST ha potuto eseguire le biopsie virtuali multiple su un singolo campione di tessuto, facendo uso dei biosensori differenti per schermare per ogni modulo potenziale di cancro.

Come strumento diagnostico per cancro, HYPER-CEST sarebbe estremamente sensibile, capace di individuare la presenza di proteine in relazione con il Cancro (parti per milione) alle concentrazioni micromolar. Più presto la presenza di celle cancerogene sarà individuata, migliori le probabilità sono per il riuscito trattamento. Oltre all'alta specificità dell'obiettivo e della sensibilità, HYPER-CEST MRI è egualmente unico da altre tecniche di rappresentazione molecolari in quanto fornisce sia informazioni spaziali che biochimiche. Questa tecnica indica una vasta gamma di applicazioni biomediche molto al di là dei sistemi diagnostici del cancro.

MRI è affermato come tecnologia potente per la rappresentazione biomedica. È un modo indolore e senza radiazione di ottenere le immagini tomographical tridimensionali di alta qualità del tessuto e degli organi interni, particolarmente utili per i campioni opachi. Tuttavia, l'applicazione di MRI alla rappresentazione molecolare è stata limitata dalle emissioni della sensibilità.

MRI, come la sua tecnologia della sorella, la spettroscopia a risonanza magnetica (NMR) nucleare, è basato sui beni dei nuclei atomici con un protone spaiato o “una rotazione chiamata neutrone.„ Tali nuclei filano su un asse come le cime miniatura, provocanti un momento magnetico, che significa che i nuclei agiscono come se siano stati magneti a barra con un polo di nord e sud. Una Volta esposti ad un campo magnetico esterno, questi “magneti a barra„ di filatura tentano di allineare le loro asce seguendo le righe di forza magnetica. Poiché l'allineamento non è esatto, il risultato è una rotazione d'oscillazione, o “precessione,„ che è unica ad ogni tipo di atomo.

Se, mentre esposti al campo magnetico, i nuclei precessing egualmente sono colpiti con un impulso (rf) di radiofrequenza, assorbiranno e ri-emetteranno l'energia alle frequenze specifiche secondo la loro tariffa della precessione. Quando l'impulso di rf si combina con i gradienti del campo magnetico, un segnale nello spazio codificato è prodotto che può essere individuato e tradotto in immagini.

Ottenere un segnale nello spazio codificato di MRI da un campione dipende dalle rotazioni dei sui nuclei precessing che sono polarizzati in modo che un eccesso indichi in una direzione, o “su„ o “giù.„ Poiché l'eccesso naturale di alto contro giù fila per tutta la popolazione tipica dei nuclei atomici è soltanto circa uno in 100.000, Tecniche di risonanza magnetica convenzionali è destinato ad individuare i nuclei che sono altamente abbondanti in tessuto, solitamente i protoni in acqua. I Clinici usano gli agenti di contrapposizione per indurre i cambiamenti rilevabili nel segnale di MRI da un campione che può rivelare la presenza di anomalie. Tuttavia, anche se alcuni di questi agenti di contrapposizione legheranno agli obiettivi biomolecolari specifici, la sensibilità è solitamente troppo bassa per la rappresentazione molecolare.

Negli studi più iniziali, i Pini ed il suo gruppo hanno sfruttato il fatto che il vapore zapping del rubidio con un raggio di luce laser polarizzata crea un effetto “hyperpolarized„ che può essere trasferito ai nuclei di xeno, un gas inerte di cui i nuclei caratterizzano naturalmente un grado minuscolo di polarizzazione della rotazione. Questo trattamento, chiamato “ottico-pompare,„ aumenta notevolmente la proporzione di nuclei dello spin-up, producendo una popolazione degli atomi del xeno con quasi 50 per cento dei loro nuclei nello stato alto. I Pini ed il suo gruppo egualmente hanno messo a punto le tecniche per il trasferimento del questo hyperpolarization dai nuclei del xeno ad altre molecole ed i metodi per sondare gli ambienti degli atomi del xeno e del loro movimento.

Lavorando con il gruppo dei Pini, Wemmer ed il suo gruppo successivamente hanno usato una gabbia molecolare del nanoscale, chiamata un cryptophane, che si sono adattati per giudicare gli atomi hyperpolarized del xeno. Con l'aggiunta “di un linker„ biochimico che fa la sostanza solubile di nanocage in acqua, hanno creato un agente novello che le legature ad una molecola specifica dell'obiettivo ed associa il xeno hyperpolarized con. Questi biosensori sensibili e versatili del xeno possono poi essere usati per alterare selettivamente i segnali di MRI.

Nelle nuove pubblicazioni, il gruppo di Wemmer e dei Pini ha riferito il loro lavoro puntato su combinando i biosensori del xeno con la tecnologia di CEST, che è stata sviluppata mentre un metodo di contrasto per l'amplificazione del contrasto di MRI dai protoni. CEST è basato sullo scambio di protoni che ha luogo fra le molecole di acqua ed altre molecole nell'organismo. Mentre efficace a certe condizioni, CEST è limitato entro il periodo di rilassamento veloce dei protoni, che necessita la necessità per i grandi campi magnetici di fare diminuire gli effetti di rilassamento e di aumentare la differenza fra i segnali saturati e non saturati di MRI. Egualmente richiede a relativamente un gran numero di agente di CEST di generare il potenziamento significativo di contrasto.

Il xeno Hyperpolarized ha un tempo molto maggiore di rilassamento che i protoni, in modo da significa che il segnale migliorato di MRI è non solo più forte, ma dura molto più lungamente. Il segnale di MRI ottenuto direttamente dai biosensori del xeno è centinaia di periodi più piccoli del segnale facilmente individuato ottenuto da un raggruppamento di xeno libero dissolto nel resto del campione. Le immagini di HYPER-CEST sono basate sul segnale libero del xeno piuttosto che la rilevazione diretta dei biosensori quello piombo all'alta sensibilità della tecnica.

Questo lavoro è dettagliato in due documenti. Il primo, pubblicato nella Scienza, è intitolato, “la rappresentazione Molecolare facendo uso di un biosensore hyperpolarized a risonanza magnetica mirato a.„ Un estratto di quel documento è disponibile con PubMed. Estratto di Visualizzazione.

Il secondo documento, che si occupa dei dettagli tecnici e della teoria addetti a usando il xeno ingabbiato come biosensore, compare nel Giornale di A risonanza magnetica ed è intitolato, “potenziamento della Sensibilità dal trasferimento di magnetizzazione mediato scambio del segnale del biosensore del xeno.„ Un ricercatore dall'Università di California a Santa Barbara egualmente ha partecipato a questo studio. Un estratto di quel documento è egualmente PubMed diretto disponibile. Estratto di Visualizzazione.

http://nano.cancer.gov