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Tecnologia MRI inova no processamento de imagens molecular

Os investigadores com Lawrence Berkeley National Laboratory do U.S. Department of Energy e da Universidade da Califórnia em Berkeley desenvolveram uma nova técnica de ressonância magnética (MRI) que permite a detecção de sinais de moléculas presentes em 10.000 vezes reduzir concentrações do que técnicas convencionais de MRI.

Esta nova técnica chamado HYPER-CET, para transferência de saturação de permuta química de xenônio hyperpolarized, detém grande promessa para tratamento de imagens moleculares, em que a distribuição espacial de moléculas específicas é detectada dentro de um organismo. Em última análise, HYPER-CEST poderia tornar-se uma valiosa ferramenta para diagnósticos médicos, incluindo a detecção precoce do câncer.

Em dois artigos publicados em revistas de ciência e o Jornal de ressonância magnética, a equipe de pesquisadores relatórios sobre uma técnica em que átomos de xenônio têm sido hyperpolarized com luz de laser para melhorar o seu sinal de MRI, incorporada a um biossensor gaiola de nanoescala e vinculada a específicas proteína ou alvos de ligante. Estas hyperpolarized xenônio biosensores geram contraste altamente seletiva em locais onde eles estão ligados, aumentando drasticamente a intensidade do sinal MRI e resultando em imagens espaciais do alvo molecular ou celular escolhido. Esta pesquisa foi liderada por Alexander Pines, pH.d. e David Wemmer, pH.d.

"Nossa HYPER-CEST molecular MRI técnica faz ideal usar de xenônio hyperpolarized sinais, criando um forte sinal em regiões onde o biossensor está presente, permitindo a fácil determinação não invasiva da molécula do alvo," disse Pines. Wemmer acrescentou: "outros agentes de contraste MRI moleculares fornecem pequenas mudanças em grandes sinais de MRI, dificultando as alterações detectar quando a quantidade de agente de contraste vinculação é pequena. Nosso agente de contraste HYPER-CET fornece uma grande mudança no sinal de MRI xénon, que significa que é muito mais fácil de detectar mesmo que os sinais de MRI xénon são bastante pequenos".

Além de seu contraste intrinsecamente superior, outra vantagem com a técnica de HYPER-CEST é que seus efeitos podem ser "multiplexados," significando que biosensores xenônio polarizada podem ser direcionados para detectar proteínas diferentes ao mesmo tempo em um simples exemplo. Esse recurso, que não é partilhado por agentes de contraste de MRI moleculares mais convencionais, abre-se uma série de possibilidades para diagnósticos futuros. Por exemplo, como uma ferramenta de diagnóstico para a detecção do câncer, com médicos de HYPER-CEST poderia executar múltiplas biópsias virtuais em uma amostra de tecido único, usando diferentes biosensores para tela para cada forma potencial de câncer.

Como uma ferramenta de diagnóstico de câncer, HYPER-CEST seria extremamente sensível, capaz de detectar a presença de proteínas relacionadas ao câncer no micromolar (partes por milhão) concentrações. Quanto mais cedo que é detectada a presença de células cancerosas, melhor as chances são para o sucesso do tratamento. De alta sensibilidade e especificidade do destino, HYPER-CEST MRI também é exclusivo de outras técnicas de imagem moleculares em que fornece informações espaciais e bioquímicas. Esta técnica aponta para uma ampla gama de aplicações biomédicas muito além do diagnóstico de câncer.

MRI é bem estabelecida como uma poderosa tecnologia para geração de imagens biomédica. É um meio de obtenção de imagens tomographical tridimensionais de alta qualidade do tecido interno e órgãos, especialmente útil para amostras opacas indolor e livre de radiação. No entanto, a aplicação de MRI a imagem molecular tem sido limitada por problemas de sensibilidade.

MRI, como sua irmã tecnologia, espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR), baseia-se em uma propriedade de núcleos atômicos com um unpaired próton ou nêutron chamado "spin". Tais núcleos giram sobre um eixo como topos em miniatura, dando origem a um momento magnético, que significa que os núcleos atuam como se fossem bar ímans com um norte e Pólo Sul. Quando exposto a um campo magnético externo, estes ímans"barra" de fiação tentam alinhar seus eixos ao longo das linhas de força magnética. Uma vez que o alinhamento não é exato, o resultado é uma rotação wobbling, ou "precessão," que é exclusivo para cada tipo de átomo.

Se, enquanto expostos ao campo magnético, os núcleos precessing também são atingidos com um pulso de radiofrequência (rf), eles absorvem e reemitem energia em freqüências específicas de acordo com sua taxa de precessão. Quando o pulso de rf é combinado com gradientes de campo magnético, é produzido um sinal codificado espacialmente que pode ser detectado e traduzido em imagens.

Obtendo um sinal de MRI espacialmente codificado de uma amostra depende os spins de seus núcleos precessing sendo polarizados para que um excesso pontos em uma direção, "para cima" ou "baixo". Porque o excesso natural de até versus as rodadas de qualquer população típica de núcleos atômicos é apenas cerca de um em cada 100.000, técnicas convencionais de MRI são projetadas para detectar núcleos que são altamente abundantes no tecido, geralmente os prótons em água. Clínicos usam agentes contrastantes para induzir alterações detectáveis no sinal de um exemplo que pode revelar a presença de anomalias de MRI. No entanto, mesmo que alguns desses agentes contrastantes irão ligar para destinos específicos biomolecular, a sensibilidade é geralmente muito baixa para tratamento de imagens moleculares.

Em estudos anteriores, pinheiros e seu grupo explorado o fato de que fazer zapping vapor de rubídio com um feixe de luz polarizada de laser cria um efeito de "hyperpolarized" que pode ser transferido para núcleos de xenônio, um gás inerte, cujos núcleos naturalmente apresentam um pequeno grau de polarização de spin. Esse processo, chamado de "óptico-bombeamento," vastamente aumenta a proporção de núcleos de aceleração, produzindo uma população de átomos de xenônio com quase 50 por cento de seus núcleos no estado de backup. Pinheiros e seu grupo também desenvolveram técnicas para transferir este hiperpolarização de núcleos de xénon para outras moléculas e métodos para sondar os ambientes de átomos de xenônio e sua circulação.

Trabalhando com o grupo de pinheiros, Wemmer e seu grupo posteriormente usado uma gaiola molecular de nanoescala, chamado um cryptophane, que eles se adaptaram para conter átomos de xenônio hyperpolarized. Com a adição de uma "vinculador" bioquímica que faz o nanocage solúvel em água, eles criaram um agente romance que vincula a uma molécula de destino específico e associa o xenon hyperpolarized com ele. Estes biosensores xenônio sensíveis e versátil, em seguida, podem ser usados para seletivamente alter sinais de MRI.

Em novos trabalhos de pesquisa, a equipe de pinheiros e Wemmer relatou seu trabalho visto combinando biosensores xenônio com tecnologia CEST, que foi desenvolvida como um método de contraste para aumentar o contraste de MRI de prótons. CET baseia-se na troca de prótons que ocorre entre moléculas de água e outras moléculas no corpo. Ao mesmo tempo eficaz em determinadas condições, CEST é limitado pelo rápido tempo de relaxação de prótons, que exige a necessidade de grandes campos magnéticos diminuir os efeitos de relaxamento e aumentar a diferença entre sinais de MRI saturados e não saturado. Ele também requer uma quantidade relativamente grande do agente CEST para gerar melhoria de contraste significativo.

Xenônio hyperpolarized tem um tempo de relaxamento muito maior do que prótons, o que significa que o sinal de MRI reforçado não só é mais forte, mas dura muito mais tempo. O sinal de MRI obtido diretamente de biosensores xenônio é centenas de vezes menores do que o sinal facilmente detectado obtido a partir de um pool de dissolvido no resto da amostra de xenônio. As imagens do HYPER-CEST baseiam-se em sinal de xenônio grátis em vez de detecção direta dos biosensores que leva à alta sensibilidade da técnica.

Este trabalho é detalhado em dois papéis. O primeiro, publicado em ciência, é intitulado, "Molecular imaging usando um biossensor alvejado ressonância magnética hyperpolarized". Um resumo do que papel está disponível através do PubMed. Resumo da exibição.

O segundo livro, que trata os detalhes técnicos e teoria envolvida no uso de xenônio jaula como um biossensor, aparece no Jornal de ressonância magnética e é intitulado, "aprimoramento de sensibilidade pelo exchange mediada transferência de magnetização do xenônio biosensor sinal". Um investigador da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara também participou deste estudo. Um resumo do que livro também está disponível através do PubMed. Resumo da exibição.

http://nano.cancer.gov