Гиперполяризованный ядерный магнитный резонанс позволяет добиться значительных успехов в молекулярной диагностике, например, сердечно-сосудистых заболеваний или терапии рака. В рамках совместного проекта ЕС «MetaboliQs» семь партнеров, координируемых Fraunhofer IAF и NVision, разработали метод микроскопии, который впервые позволяет анализировать метаболические процессы на уровне отдельных клеток с помощью гиперполяризации на основе алмаза. Кроме того, консорциум успешно продемонстрировал гиперполяризацию с использованием метода PHIP в прикладных экспериментах по МРТ.
Координируется Институтом прикладной физики твердого тела им. Фраунгофера IAF и NVision Imaging Technologies GmbH, международным консорциумом из семи исследовательских институтов .и промышленные компании добились прорыва в квантовой микроскопии для анализа метаболических процессов и применения поляризации, индуцированной параводородом (PHIP), в рамках проекта «MetaboliQs — использование беспрецедентной квантовой когерентности при комнатной температуре для обеспечения безопасной, первой в своем роде, мультимодальной визуализация сердца». Результаты значительно продвигают два многообещающих подхода к улучшению диагностики медицинской визуализации и спектроскопии за счет более точного, практичного и эффективного использования ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В рамках программы Future and Emerging Technologies (FET) «The Quantum Flagship» Европейский союз (ЕС) финансировал «MetaboliQs» с 2018 года.
С одной стороны, сотрудники использовали особые свойства квантового восприятия азотно-вакансионных центров (NV-центров) в наноструктурированном алмазе для обнаружения сигналов ЯМР с в 1000 раз лучшим пространственным разрешением по сравнению с современным уровнем техники, доказывая, что микроскопическая спектроскопия подходит для метаболических анализов на отдельных клетках. С другой стороны, исследователи впервые успешно продемонстрировали, что квантовый поляризатор PHIP подходит для высокочувствительных доклинических исследований in vivo, демонстрируя гиперполяризованную магнитно-резонансную томографию (МРТ) в реальных условиях.
Доктор Фолькер Сималла, руководитель проекта Fraunhofer IAF, классифицирует результаты проекта: «Наш подход был направлен на то, чтобы привнести уникальные преимущества квантового зондирования на основе алмазов в медицинские приложения. С помощью разработанного квантового микроскопа мы создали уникальный исследовательский инструмент. это решительно продвигает клеточный анализ и открывает новые возможности для медицинских исследований и диагностики in vitro». Илай Шварц, координатор проекта со стороны «Энвижн», подчеркивает: «Разработанный квантовый поляризатор прокладывает путь для перспективной технологии реализации гиперполяризованной МРТ. По сравнению с существующими методами подход PHIP имеет то преимущество, что он значительно быстрее, практичнее и более эффективным с точки зрения ресурсов при сохранении максимальной точности».
Алмазная гиперполяризация улучшает ЯМР
Гиперполяризация может преодолеть главный недостаток технологии ЯМР: ее относительно низкую чувствительность. Классически ЯМР-спектрометры или системы МРТ измеряют электрические сигналы, генерируемые, когда ядерные спины во внешнем магнитном поле реагируют на резонансный радиочастотный импульс. Сила сигнала здесь зависит от тепловой поляризации исследуемого образца, т. е. от числа ядерных спинов, магнитно ориентированных внутри него. Сигнал обычно очень слабый, так как в среднем только один из нескольких миллиардов ядерных спинов выровнен по магнитному полю. Однако методы гиперполяризации магнитно выравнивают большую часть ядерных спинов в течение определенного периода времени, что увеличивает силу сигнала ЯМР на несколько порядков.
Следовательно, с усилением сигнала ЯМР в 100 000 раз за счет гиперполяризации медицинские приложения, такие как МРТ, могут быть улучшены во много раз. Сердечно-сосудистые заболевания могут быть диагностированы намного раньше, а методы лечения рака могут быть немедленно протестированы на предмет их эффективности и, таким образом, персонализированы, поскольку врачи могут в режиме реального времени обнаруживать типичные метаболические процессы на молекулярном уровне. По этой причине исследователи во всем мире работают над различными подходами к разработке жизнеспособных методов гиперполяризации для медицинских приложений. Современные методы, такие как динамическая ядерная поляризация (ДЯП), уже очень точны, но чрезвычайно ресурсоемки. Более того, гиперполяризованное состояние длится всего секунды.
Опыт MetaboliQs объединяет: от материального роста до разработки прототипа и медицинских исследований.
В этом свете партнеры по проекту «MetaboliQs» полагались на особые квантово-физические свойства NV-центров в синтетическом алмазе, который Fraunhofer IAF вырастил и наноструктурировал на оптимизированном материале, предоставленном Element Six (E6). Еврейский университет в Иерусалиме (HUJI) проанализировал квантовые свойства структур. NVision реализовала прототип квантового микроскопа на основе охарактеризованных наноалмазных чипов и продемонстрировала в технико-экономических исследованиях как гиперполяризацию с использованием оптически поляризованных электронных спинов в алмазе, так и обнаружение гиперполяризованных метаболитов с высоким спектральным разрешением. Bruker BioSpin GmbH отвечала за оценку образцов от NVision для определения спиновой концентрации и времени релаксации. С настройкой,
Наконец, в доклинических сравнительных исследованиях in vivo Мюнхенский технический университет (TUM) показал, что квантовый поляризатор, также предоставленный NVision, который обеспечивает гиперполяризацию путем переноса параводорода к ядрам 13C, превосходит методы, основанные на динамической ядерной поляризации: с долей требуемых ресурсов, степень поляризации и концентрации, а также время релаксации метаболических индикаторов значительно выше, чем при альтернативном методе. Исследователи из Швейцарского федерального технологического института Цюриха (ETH Zurich) успешно смоделировали, что лучшее отношение сигнал/шум при визуализации может быть достигнуто, если сила магнитного поля уменьшится с 3 Тл до 1,5 Тл или 0,75 Тл. Благодаря превосходные свойства квантового поляризатора PHIP, Результаты МРТ качественно не уступают даже при более слабом магнитном поле; в свою очередь, стоимость эксплуатации системы МРТ значительно снижается.
