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Mehrfarben-MRT für die molekulare Bildgebung
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein klinisches Arbeitspferd, das exquisit detaillierte 3D-Bilder von Tumoren, Blutgefäßen, Knochen und Strukturen tief im Körperinneren liefert. MRT-Bilder sind in Grautönen gehalten und ihr Kontrast basiert darauf, wie viel Wasser sich in dem untersuchten Körperteil befindet. Jetzt haben Physiker magnetische Miniaturpartikel hergestellt, die MRT mit einem Regenbogen von Farben aufhellen könnten, die eine Fülle von Informationen über die Krankheitszustände und das Verhalten von Geweben im Körper vermitteln.
Mini-Magnete: In den Körper injizierte mikroskalige Magnetpartikel (oben) könnten farbige Magnetresonanzbilder liefern, mit denen Ärzte die molekularen Grundlagen von Krankheiten, einschließlich Krebs, untersuchen können. Unten befindet sich ein Gitter aus Mini-Magneten, bevor sie vom Halbleiterwafer entfernt werden, auf dem sie mit Standardtechniken der Computerindustrie hergestellt werden.
Die Forschung an diesen Partikeln, die am National Institute of Standards and Technology in Boulder, CO, im Gange ist, befindet sich noch im Anfangsstadium, und die Partikel wurden noch nicht an Tieren getestet. Aber wenn die Mehrfarben-MRT ihr Versprechen hält, könnte sie visuelle Informationen auf der Ebene von Genen, Proteinen und anderen Molekülen liefern. Die Forscher hoffen, dass eine solche molekulare Bildgebung irgendwann Teil der personalisierten Medizin werden wird, die es Ärzten ermöglicht, die Prozesse, die der Entzündung oder dem Tumorwachstum eines einzelnen Patienten zugrunde liegen, buchstäblich zu sehen und dann mit weniger Rätselraten die richtige Therapie zu verschreiben. Die meisten molekularen Bildgebungsverfahren sind optisch und beinhalten fluoreszierende Markierungen wie die winzigen Partikel aus Halbleitermaterial, die als Quantenpunkte bekannt sind. Das von diesen Tags emittierte Licht kann jedoch nur etwa einen Zentimeter Gewebe durchdringen, sodass sie für die Bildgebung von Organen nicht sehr nützlich sind. MRT bietet einen nicht-invasiven Blick unter die Oberfläche.
Magnetresonanzbilder werden aus Hochfrequenzsignalen erzeugt, die von Wassermolekülen im Körper ausgesendet werden. Wenn der starke kreisförmige Magnet, der den Patienten umgibt, eingeschaltet wird, richten sich die Kerne der Wasserstoffatome im Körper des Patienten auf das Magnetfeld aus. Ein Hochfrequenzimpuls schlägt sie aus der Ausrichtung, und wenn sie wieder in Position schnappen, geben sie ihre überschüssige Energie als Radiowellen ab.
Die vom National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelten Partikel wirken wie Miniaturmagnete und verursachen eine vorhersagbare Frequenzverschiebung der Radiowellen, die von durchströmendem Wasser emittiert werden. Die Größe dieser Verschiebung hängt direkt von der Größe und Form der Partikel ab, die aus zwei scheibenförmigen Nickelmagneten bestehen, die von nichtmagnetischen Stiften zusammengehalten werden. Die unterschiedlichen Hochfrequenzverschiebungen können auf das Farbspektrum des sichtbaren Lichts abgebildet werden.
Wir können jede gewünschte Farbe entwickeln, sagt Gary Zabow, ein Physiker in der Elektromagnetik-Abteilung des NIST, der die Entwicklung der Teilchen leitet. Mit Mikrofabrikationstechniken, die in der Computerindustrie Standard sind, erhalten wir diese Farben, indem wir die genaue Form der Partikel kontrollieren.
Die Mikromagnete verschieben nur die Frequenz der Radiowellen, die von Wasser emittiert werden, das sich zwischen ihren einzelnen Scheiben bewegt. Wenn dieser Raum abgesperrt ist, sagt Zabow, haben die Partikel keinen Einfluss auf das MRT-Signal. Folglich könnten die Mikromagneten als chemische Miniatursensoren wirken. Sie könnten den Raum gezielt mit einem Material blockieren, das bei einer bestimmten Temperatur schmilzt oder in irgendeiner Weise reaktiv ist, sich unter bestimmten Bedingungen im Inneren des Körpers ausdehnt oder schrumpft, sagt Zabow.
Kontrastmittel für die MRT gibt es bereits, einige von ihnen können sogar gezielt auf bestimmte Gewebe oder Zelltypen ausgerichtet werden. Wie die NIST-Mikromagnete lassen diese Mittel einen Teil des Bildes heller oder dunkler erscheinen, indem sie die von Protonen emittierten Radiofrequenzen verschieben. Im Gegensatz zu den NIST-Partikeln werden sie jedoch mit chemischen Techniken hergestellt, sodass die Abmessungen ihrer Partikel nicht sorgfältig kontrolliert werden können. Dadurch verschieben sie die Frequenzen der Signale der Protonen unvorhersehbar. Sie bieten im Durchschnitt einen Kontrast zum Standard-MRT-Signal, können aber keine genauere, lokale Unterscheidung bieten.
Wenn Sie zwei [solche Agenten] einsetzen würden, könnten Sie den Unterschied nicht erkennen, sagt Richard Bowtell , Professor für Physik am Institute of Neuroscience der University of Nottingham in England. Jedes NIST-Partikel erzeugt jedoch eine eindeutige Signatur. Wenn Sie alle gleichzeitig eingeben, können Sie sehen, welches Signal zu welchem gehört, sagt Bowtell.
Die Mikromagnete, diese Woche im Journal beschrieben Natur , wurden bisher aus dem giftigen Nickel hergestellt. Aber Zabow sagt, dass sie leicht aus Eisen hergestellt werden könnten, das ungiftig und magnetisch ist. Die Forscher untersuchen die Idee, die Partikel als Sensoren für physiologische Zustände im Körper zu verwenden, sagt Zabow, aber er warnt, dass sie erst jetzt den ersten Schritt in diese Richtung machen und Tests in Zellen planen.