Investigadores mejoraron la resolución de la resonancia magnética a un tamaño nanométrico

* Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.

Las imágenes de resonancia magnética (MRI, por sus siglas en inglés) convencionales, familiares para nosotros en los hospitales, tienen una resolución de alrededor de una décima de milímetro, lo que les permite obtener imágenes de cortes increíblemente finos de nuestros cuerpos, de la cabeza a los pies, ayudando a los médicos a diagnosticar una variedad de condiciones médicas.

Sin embargo, incluso esta altísima resolución es insuficiente para los investigadores que desean estudiar la estructura de moléculas individuales. La nueva tecnología desarrollada en el laboratorio del Dr. Amit Finkler en el Instituto de Ciencias Weizmann permite a los investigadores realizar exploraciones de MRI con una resolución de un nanómetro (una millonésima de milímetro o una milmillonésima de metro) o superior.

El nuevo dispositivo de nano-MRI, descrito recientemente en un estudio publicado en Communications Physics, puede hacer posible distinguir todas las partículas diminutas que componen una sola molécula, generando las imágenes más detalladas de moléculas individuales jamás producidas.

Representa un gran salto adelante en la carrera para desarrollar aplicaciones de nano-MRI para la investigación y para su uso en las industrias de materiales y farmacéutica.

La resonancia magnética se basa en una propiedad de las partículas elementales dentro de los átomos llamada espín. Es una propiedad magnética que puede visualizarse como una rotación alrededor de un eje, similar a una peonza, y se caracteriza por una frecuencia (el número de “rotaciones” por segundo) conocida como frecuencia de resonancia.

Esta frecuencia de resonancia es lo que mide el dispositivo de resonancia magnética.

Depende del tipo de partícula que se mide y de la intensidad del campo magnético circundante. En la resonancia magnética convencional, un campo magnético de gradiente, cuya intensidad varía a lo largo del cuerpo del paciente, también hace que varíe la frecuencia de resonancia, lo que permite a la máquina diferenciar entre cortes de tejido. Un gradiente más pronunciado permite cortes más finos.

La pregunta que plantearon los investigadores de Weizmann fue: ¿Podría utilizarse también un campo magnético de gradiente para distinguir las partículas individuales dentro de una sola molécula?

Los científicos del laboratorio de Finkler, en el Departamento de Física Química y Biológica, ya habían desarrollado un método de escaneo por resonancia magnética basado en un diamante sintético. Dentro del diamante hay un pequeño defecto del tamaño de un átomo, llamado centro de nitrógeno-vacante.

Este defecto actúa como un sensor que cambia la intensidad de la luz roja que emite, dependiendo del espín de las partículas adyacentes. La ventaja del centro de nitrógeno-vacante es su alta sensibilidad incluso a las señales más débiles, como, por ejemplo, la presencia de una sola partícula ubicada a 50 nanómetros de distancia.

El problema, sin embargo, era que no siempre diferenciaba eficazmente entre partículas adyacentes, y la luz que emitía estaba influenciada por las propiedades promedio de todas las partículas cercanas. Esto significaba que era difícil usar este sensor para obtener imágenes de los átomos individuales que componen una molécula.

En su nuevo estudio, dirigido por la candidata doctoral Leora Schein-Lubomirsky, los investigadores desarrollaron una máquina que genera un campo magnético de gradiente enfocado alrededor de un sensor magnético atómico.

Esta máquina se basa en una punta de cuarzo recubierta de un conductor de oro en forma de arco cuadrado. Al pasar una corriente eléctrica por el cable, se generó un campo magnético de gradiente; los cambios en el campo magnético fueron más intensos cerca de las esquinas del rectángulo y se debilitaron gradualmente a medida que se alejaban.

“Los cambios en el campo magnético provocaron cambios en la frecuencia de resonancia de los átomos, dependiendo de su posición en la molécula”, explica Schein-Lubomirsky.

“Anteriormente, el sensor no podía distinguir entre varios átomos de hidrógeno cercanos ni determinar sus ubicaciones, pero ahora, dentro de cada región, una partícula de hidrógeno exhibirá una frecuencia de resonancia diferente. Entonces podremos ensamblar imágenes que muestren estas diferentes ubicaciones para obtener una imagen completa de la molécula”.

“No mires el campo, sino el cambio dentro de él”

“La conclusión que condujo al nuevo desarrollo fue que podíamos producir un gradiente muy fuerte del campo magnético incluso si su tamaño absoluto se mantenía pequeño”, explica Finkler.

“Aunque nuestro campo magnético es significativamente menor que el de una máquina de resonancia magnética comercial, su gradiente (la velocidad a la que el campo magnético cambia con la distancia al dispositivo) es mucho mayor. Así obtuvimos una resolución de un nanómetro, y creemos que nuestro dispositivo es capaz de alcanzar resoluciones aún mayores, lo que significa que podría escanear la estructura de una molécula individual”.

El nuevo dispositivo también supone una mejora con respecto a los sistemas de sensor de diamante anteriores, ya que puede activar y desactivar el campo magnético a demanda, y lo hace en tan solo 0,6 millonésimas de segundo.

Esto se debe a que el campo no se produce mediante un imán, sino mediante una corriente eléctrica que puede activarse o desactivarse. “La capacidad de activar y desactivar rápidamente el campo magnético garantiza menos interrupciones y una mayor precisión del escaneo”, añade Finkler.

La imagenología molecular de alta resolución desempeña un papel crucial en las industrias de materiales y farmacéutica. Hoy en día, todos los fármacos fabricados se someten a pruebas de resonancia magnética para garantizar que contengan únicamente la sustancia deseada con la estructura y disposición molecular correctas, seguras para el consumo humano.

Sin embargo, los métodos actuales requieren grandes cantidades de muestra, lo cual puede ser difícil de obtener, especialmente en las primeras etapas del desarrollo. Además, estas pruebas no pueden realizarse a temperatura ambiente y su resolución sigue siendo limitada.

“La máquina de nano-MRI que proponemos puede operar a temperatura ambiente y examinar la estructura de los materiales exactamente en las condiciones en las que deben usarse”, enfatiza Finkler.

“La máquina también producirá una imagen más detallada de la estructura molecular y permitirá analizar una muestra pequeña y significativamente más económica que contenga solo unas pocas moléculas del material.

Además, este dispositivo podría ayudar a revelar por qué las sustancias a veces se comportan de forma inesperada en el mundo real, en comparación con los resultados de las pruebas de laboratorio, y si existen diferencias desconocidas entre sustancias que parecen idénticas”.

También participaron en el estudio el Dr. Yarden Mazor, de la Universidad de Tel Aviv, y los Dres. Rainer Stöhr y Andrej Denisenko, de la Universidad de Stuttgart, Alemania.