Tecnología cuántica para imágenes de cáncer

Crédito: Universidad Técnica de Munich

El seguimiento del metabolismo de las células cancerosas mediante imágenes por resonancia magnética (IRM) no ha sido posible en entornos clínicos de rutina hasta ahora. Ahora, un equipo de investigación multidisciplinario, que incluye a la Universidad Técnica de Munich (TUM), está avanzando en el desarrollo de la hiperpolarización cuántica para que pueda implementarse en aplicaciones clínicas.

El objetivo es mejorar significativamente la resonancia magnética de los procesos metabólicos, por ejemplo, para permitir una evaluación más temprana y precisa de los tumores, así como para mejorar la selección y el seguimiento de las terapias tumorales.

Describir la mecánica cuántica. fenomeno fisico En las escalas más pequeñas, en el campo de las moléculas y los átomos, núcleos atómicos, e incluso unidades más pequeñas. Motivación para revolucionar diversas áreas de nuestra vida cotidiana utilizando Tecnología cuántica Como Estadísticas Cuantitativas O sensores cuánticos antes de que se otorgara el Premio Nobel de Física de este año a tres científicos por su trabajo en el campo. ¿Cómo se pueden implementar estas nuevas tecnologías en medicina?

Las imágenes metabólicas hacen visibles los procesos metabólicos

una declaración Células cancerígenas En las primeras etapas, su evaluación más precisa y más rápida de la eficacia de los tratamientos se facilita mediante la visualización de los procesos metabólicos tanto en las células sanas como en las enfermas. Esto se conoce como imágenes metabólicas. Con este fin, se inyectan en el cuerpo moléculas relevantes para el diagnóstico y se controla su metabolismo.

La resonancia magnética metabólica detecta cambios tempranos en vías metabólicas clave a nivel celular. Crédito: NVISION IMAGING Technologies

Un enfoque es utilizar la tomografía por emisión de positrones (PET). Sin embargo, este método requiere materiales radiactivos y no puede distinguir entre productos primarios y finales en los procesos metabólicos. Por otro lado, la resonancia magnética nuclear (RMN) permite obtener imágenes del metabolismo de varios metabolitos sin el uso de materiales radiactivos. Aunque solo si la señal de resonancia magnética de las partículas inyectadas se amplifica lo suficiente como para que sean detectables.

Aunque los estudios preliminares de pacientes muestran un gran potencial para la obtención de imágenes metabólicas mediante resonancia magnética, las técnicas de amplificación de señal implementadas hasta la fecha son costosas, no sólidas o lentas. Esto ha impedido el despliegue rutinario de estas tecnologías en entornos clínicos hasta el momento.

El equipo de investigación multidisciplinar del proyecto Quantum Cancer Imaging Revolution (QuE-MRI) está desarrollando una nueva solución: la denominada hiperpolarización cuántica utiliza las leyes de la física cuántica para amplificar la señal de las moléculas metabólicas en la resonancia magnética hasta 100 000 veces.

Fotografía con las leyes de la mecánica cuántica

La tecnología común de máquinas de resonancia magnética aprovecha las propiedades mecánicas cuánticas de los núcleos atómicos asociadas con el llamado espín o momento angular. Todos giro nuclear . ha nacido Momento atractivoa diferencia del imán dipolar de la aguja de una brújula.

La alineación de los espines nucleares determina la fuerza del momento magnético total del núcleo atómico. Esto, a su vez, determina la intensidad de la señal utilizada en la resonancia magnética. Cuando la distribución direccional de los momentos magnéticos es aleatoria, se cancelan entre sí y la máquina de resonancia magnética no detecta ninguna señal. La señal más fuerte se obtiene cuando los momentos magnéticos de las bobinas nucleares apuntan en la misma dirección, lo que da como resultado la máxima magnetización efectiva.

Una resonancia magnética utiliza campos magnéticos muy fuertes para que esto sea posible. Sin embargo, los momentos magnéticos del espín nuclear se distribuyen casi al azar y, por lo tanto, tienen una magnetización efectiva baja. La tecnología de hiperpolarización mejora la magnetización efectiva de los imanes nucleares en un factor de 10 000 a 100 000, lo que aumenta considerablemente la sensibilidad de la resonancia magnética.

Hiperpolarización de moléculas metabólicas relevantes para el diagnóstico

Sin embargo, en la práctica, es difícil llevar los núcleos atómicos de las moléculas metabólicas a un estado hiperpolarizado. Entonces, los investigadores usan un paso intermedio basado en un estado magnético especial de hidrógeno llamado parahidrógeno. Esto se puede producir a temperaturas más bajas usando métodos conocidos que usan nitrógeno líquido y se puede almacenar en cilindros de gas.

Además, las propiedades del parahidrógeno se basan en leyes Mecánica cuántica. Si bien el parahidrógeno en sí está protegido magnéticamente y no se puede medir con Resonancia magnetica Su configuración de espín puede polarizar aún más otros núcleos atómicos, aumentando su claridad en la resonancia magnética.

Usando este enfoque, los investigadores hiperpolarizan moléculas importantes para el estudio. Procesos metabólicos. El piruvato, por ejemplo, un producto del metabolismo que los tumores transforman en ácido láctico, es particularmente adecuado para fines de diagnóstico. Los investigadores acoplaron parahidrógeno en piruvato en hiperpolarización y usaron su configuración de espín para aumentar la polarización de un átomo de carbono de piruvato en un campo magnético usando ondas de radio. La señal del piruvato se potencia así en la resonancia magnética, lo que permite visualizar el metabolismo correspondiente con resolución temporal.

Los socios del proyecto ya han desarrollado prototipos funcionales del hiperpolarizador. En el proyecto QuE-MRI, investigadores, médicos, socios industriales y desarrolladores en los campos de la medicina, la física, la química y la ingeniería ahora colaboran estrechamente para mejorar estos prototipos de modo que la hiperpolarización pueda implementarse clínicamente a gran escala. Además, el equipo del proyecto tiene previsto validar la tecnología no invasiva y no radiactiva en ensayos clínicos iniciales para el diagnóstico del cáncer.

La frase: Quantum Technology for Cancer Imaging (10 de noviembre de 2022) Recuperado el 10 de noviembre de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-11-quantum-technology-cancer-imaging.html

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