Quando médicos ou cientistas desejam examinar tecidos vivos, sempre háuma compensação entre o quanto profundo eles podem sondar e a clareza da imagem que podem obter.

Com microsca³pios de luz, os pesquisadores podem ver estruturas com resolução submicromanãtrica dentro das células ou tecidos, mas apenas tão profundas quanto o mila­metro ou para que a luz possa penetrar sem se espalhar. A imagem por ressonância magnanãtica (MRI) usa radiofrequências que podem atingir qualquer parte do corpo, mas a técnica oferece baixa resolução - cerca de um mila­metro, ou 1.000 vezes pior do que a luz.

Um pesquisador da Universidade da Califa³rnia-Berkeley mostrou agora que rastreadores microsca³picos de diamante podem fornecer informações via ressonância magnanãtica e fluorescaªncia a³ptica simultaneamente, potencialmente permitindo que os cientistas obtenham imagens de alta qualidade atéum centa­metro abaixo dasuperfÍcie do tecido, 10 vezes mais profundas do que a luz sozinha.

Ao usar dois modos de observação, a técnica também pode permitir imagens mais rápidas.

A técnica seria útil principalmente para estudar células e tecidos fora do corpo, sondar sangue ou outros fluidos em busca de marcadores químicos de doenças ou para estudos fisiola³gicos em animais.

"Esta étalvez a primeira demonstração de que o mesmo objeto pode ser visualizado em a³ptica e ressonância magnanãtica hiperpolarizada simultaneamente", disse Ashok Ajoy, professor assistente de química da UC Berkeley. "Ha¡ muitas informações que vocêpode obter em combinação, porque os dois modos são melhores do que a soma de suas partes. Isso abre muitas possibilidades, onde vocêpode acelerar a imagem desses rastreadores de diamante em um meio em várias ordens de magnitude . "

A técnica, que Ajoy e seus colegas relataram esta semana no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences , utiliza um tipo relativamente novo de trazdor biola³gico: microdiamonds que tiveram alguns de seus a¡tomos de carbono expulsos e substitua­dos por nitrogaªnio, deixando para trás vazio manchas no cristal - vazios de nitrogaªnio - que ficam fluorescentes quando atingidas pela luz do laser.

Ajoy explora um isãotopo de carbono - carbono-13 (C-13) - que ocorre naturalmente naspartículas de diamante em cerca de 1% de concentração, mas também pode ser enriquecido ainda mais pela substituição de muitos dos a¡tomos de carbono dominantes, carbono-12. Os núcleos do carbono-13 são mais prontamente alinhados, ou polarizados, por centros de vaca¢ncia polarizados por spin pra³ximos, que se tornam polarizados ao mesmo tempo em que ficam fluorescentes após serem iluminados com um laser. Os núcleos C-13 polarizados produzem um sinal mais forte de ressonância magnanãtica nuclear (NMR) - a técnica ba¡sica da ressonância magnanãtica.

 

Como resultado, esses diamantes hiperpolarizados podem ser detectados tanto opticamente - por causa dos centros de vaca¢ncia de nitrogaªnio fluorescentes - quanto em frequências de ra¡dio, por causa do carbono-13 polarizado por spin. Isso permite imagens simulta¢neas por duas das melhores técnicas dispona­veis, com benefa­cio particular ao observar o interior de tecidos que espalham a luz visível.

"A imagem a³ptica sofre muito quando vocêpenetra no tecido profundo. Mesmo além de 1 mila­metro, vocêobtanãm muito espalhamento a³ptico. Este éum grande problema", disse Ajoy. "A vantagem aqui éque a imagem pode ser feita em frequências de ra¡dio e luz a³ptica usando o mesmo rastreador de diamante. A mesma versão de ressonância magnanãtica que vocêusa para imagens de dentro de pessoas pode ser usada para imagens dessaspartículas de diamante, mesmo quando a assinatura de fluorescaªncia a³ptica estãocompletamente espalhado. "

Ajoy se concentra em melhorar a RMN - uma maneira muito precisa de identificar moléculas - e sua contraparte de imagens médicas, a MRI, na esperana§a de reduzir o custo e o tamanho das ma¡quinas. Uma limitação da RMN e da RM éque a­ma£s grandes, poderosos e caros são necessa¡rios para alinhar ou polarizar os spins nucleares das moléculas dentro das amostras ou do corpo para que possam ser detectados por pulsos de ondas de ra¡dio. Mas os humanos não podem suportar os campos magnanãticos muito altos necessa¡rios para polarizar muitos spins de uma vez, o que forneceria imagens melhores.

Uma maneira de superar isso éajustar os spins nucleares dos a¡tomos que vocêdeseja detectar para que mais deles fiquem alinhados na mesma direção, em vez de aleatoriamente. Com mais spins alinhados, chamados de hiperpolarização, o sinal detectado pelo ra¡dio émais forte, e a­ma£s menos potentes podem ser usados.

Em seus últimos experimentos, Ajoy empregou um campo magnético equivalente ao de um a­ma£ de geladeira barato e um laser verde barato para hiperpolarizar os a¡tomos de carbono-13 na rede cristalina dos microdiamantes.

"Acontece que, se vocêiluminar essaspartículas, pode alinhar seus spins em um grau muito, muito alto - cerca de três a quatro ordens de magnitude maior do que o alinhamento dos spins em uma ma¡quina de ressonância magnanãtica", disse Ajoy. "Em comparação com as ressona¢ncias magnanãticas convencionais de hospitais, que usam um campo magnético de 1,5 teslas, os carbonos são polarizados efetivamente como se estivessem em um campo magnético de 1.000 tesla."

Quando os diamantes são direcionados a locais específicos em células ou tecidos - por anticorpos, por exemplo, que são frequentemente usados ​​com marcadores fluorescentes - eles podem ser detectados tanto por imagens de NMR do C-13 hiperpolarizado quanto pela fluorescaªncia dos centros de vaca¢ncia de nitrogaªnio em o diamante. Os diamantes do centro de vaca¢ncia de nitrogaªnio já estãose tornando mais amplamente usados ​​como marcadores apenas para sua fluorescaªncia.

"Na³s mostramos uma caracterí­stica interessante dessaspartículas de diamante, o fato de que eles giram e polarizam - portanto, podem brilhar muito intensamente em uma ma¡quina de ressonância magnanãtica - mas também apresentam fluorescaªncia a³ptica", disse ele. "A mesma coisa que os confere com a polarização de spin também permite que eles apresentem fluorescaªncia a³ptica."

Os rastreadores de diamante também são baratos e relativamente fa¡ceis de trabalhar, disse Ajoy. Juntos, esses novos desenvolvimentos podem, no futuro, permitir uma ma¡quina de imagem de NMR barata na bancada de cada qua­mico. Hoje, apenas os grandes hospitais podem pagar o prea§o de um milha£o de da³lares por ressona¢ncias magnanãticas. Ele atualmente estãotrabalhando em outras técnicas para melhorar a RMN e a RM, incluindo o uso departículas de diamante hiperpolarizadas para hiperpolarizar outras molanãculas.