В выпуске журнала Science Advances от 25 марта они сообщают об открытии нового класса молекулярных меток, которые усиливают сигналы МРТ в 10 000 раз и генерируют обнаруживаемые сигналы, длящиеся более часа. Эти метки биосовместимы и недороги в производстве, что открывает путь к широкому использованию магнитно-резонансной томографии (МРТ) для мониторинга метаболических процессов при таких состояниях, как рак и сердечные заболевания, в режиме реального времени.
«Это представляет собой совершенно новый класс молекул, который совсем не похож на то, что, по мнению людей, можно превратить в метки МРТ», – сказал Уоррен С. Уоррен, Джеймс Б. Герцог, профессор и заведующий кафедрой физики в Duke, и старший автор исследования. «Мы предполагаем, что это может предоставить совершенно новый способ использования МРТ для изучения биохимии болезни."
МРТ использует свойство, называемое вращением, которое заставляет ядра атомов водорода действовать как крошечные магниты.
Приложение сильного магнитного поля, сопровождаемого серией радиоволн, побуждает эти водородные магниты передавать информацию о своем местонахождении. Поскольку большинство атомов водорода в организме связано с водой, этот метод используется в клинических условиях для создания подробных изображений мягких тканей, таких как органы, кровеносные сосуды и опухоли внутри тела.
Но этот метод также может продемонстрировать химию тела в действии, сказал Томас Тайс, доцент химии в Duke и соавтор статьи. "Магнитный резонанс в целом дает уникальную чувствительность к химическим превращениям. Вы можете видеть их и отслеживать в реальном времени », – сказал Тейс.
Способность МРТ отслеживать химические превращения в организме ограничена низкой чувствительностью метода, что делает невозможным обнаружение небольшого количества молекул без использования недостижимо массивных магнитных полей.
В течение последнего десятилетия исследователи разрабатывали методы «гиперполяризации» биологически важных молекул, превращая их в то, что Уоррен называет магнитно-резонансными «лампочками»."
Благодаря этому усиленному сигналу эти «лампочки» можно обнаружить даже в небольшом количестве. «Гиперполяризация дает им в 10 000 раз больше сигнала, чем они обычно получали бы, если бы они были просто намагничены в обычном магнитном поле», – сказал Уоррен.
Будучи многообещающим, Уоррен говорит, что эти методы гиперполяризации сталкиваются с двумя фундаментальными проблемами: невероятно дорогое оборудование – около 3 миллионов долларов за одну машину – и большинство этих молекулярных лампочек сгорают за считанные секунды.
«Трудно сделать снимок с агентом, который виден всего несколько секунд, и есть много биологических процессов, которые вы никогда не могли бы увидеть», – сказал Уоррен. «Мы хотели попытаться выяснить, какие молекулы могут давать чрезвычайно долгоживущие сигналы, чтобы вы могли наблюдать за более медленными процессами."
Джерри Ортис-младший., аспирант Duke и соавтор статьи синтезировал серию молекул, содержащих диазарины, химическую структуру, состоящую из двух атомов азота, связанных вместе в кольцо.
Диазирины были многообещающей мишенью для скрининга, потому что их геометрия удерживает гиперполяризацию в «скрытом состоянии», где она не может быстро расслабиться.
Используя простой и недорогой подход к гиперполяризации, называемый SABRE-SHEATH, в котором молекулярные метки смешиваются со спин-поляризованной формой водорода и катализатором, исследователи смогли быстро гиперполяризовать одну из молекул, содержащих диазирин, значительно улучшив ее сигналы магнитного резонанса более часа.
Цю Ван, доцент кафедры химии в Duke и соавтор статьи, сказал, что эта структура является особенно интересной целью для гиперполяризации, поскольку она уже была продемонстрирована в качестве метки для других типов биомедицинской визуализации.
«Он может быть помечен на небольших молекулах, макромолекулах, аминокислотах без изменения внутренних свойств исходного соединения», – сказал Ван. "Нам действительно интересно узнать, можно ли использовать его в качестве общего тега изображений."
Ученые считают, что их катализатор SABRE-SHEATH можно использовать для гиперполяризации широкого спектра химических структур за небольшую часть стоимости других методов.
"Вы можете представить, что через пять или десять лет у вас будет контейнер с катализатором, у вас есть лампочка с газообразным водородом. «За минуту вы создали гиперполяризованный агент, и на лету вы действительно можете сделать снимок», – сказал Уоррен. "Это то, что просто немыслимо никаким другим способом."