Les diamants utilisent à la fois la microscopie optique et l’IRM pour une meilleure imagerie


Les diamants utilisent à la fois la microscopie optique et l'IRM pour une meilleure imagerie

microdiamants utilisés comme traceurs biologiques ont un diamètre d’environ 200 microns, soit moins d’un centième de pouce. Ils sont fluorescents en rouge, mais ils peuvent également être hyperpolarisés afin d’être détectés à la fois optiquement – par à fluorescence – et par imagerie RMN à haute fréquence, augmentant ainsi les performances des deux techniques. Crédit photo: Ashok Ajoy, UC Berkeley

Lorsqu’un médecin ou un scientifique veut se pencher sur des tissus vivants, il y a toujours un compromis entre la profondeur qu’ils peuvent examiner et la clarté d’une qu’ils peuvent obtenir.

Avec des microscopes optiques, les chercheurs peuvent voir des structures avec une résolution de submicrons dans les cellules ou les tissus, mais seulement aussi profondément qu’un millimètre, de sorte que la puisse pénétrer sans . L’imagerie par résonance magnétique (IRM) utilise des radiofréquences qui peuvent être atteintes n’importe où dans le corps. Cependant, la technologie offre une faible résolution – environ un millimètre ou 1000 fois pire que la lumière.

Un chercheur de l’Université de Californie à Berkeley a maintenant montré que les traceurs microscopiques au diamant peuvent fournir des informations via l’IRM et la fluorescence optique en même temps, permettant potentiellement aux scientifiques d’obtenir des images de haute qualité jusqu’à un pouce sous la surface des tissus dix fois plus. plus profond que la lumière seule.

En utilisant deux modes de visualisation, la technique pourrait également permettre une imagerie plus rapide.

La technique serait principalement utile pour examiner des cellules et des tissus à l’extérieur du corps, examiner du sang ou d’autres fluides à la recherche de marqueurs chimiques de maladies, ou effectuer des études physiologiques sur des animaux.

« C’est peut-être la première démonstration que le même objet peut être imagé en optique et en IRM hyperpolarisée en même temps », a déclaré Ashok Ajoy, professeur assistant de chimie à l’UC Berkeley. « Il y a beaucoup d’informations que vous pouvez obtenir en combinaison car les deux modes sont meilleurs que la somme de leurs parties. Cela ouvre de nombreuses opportunités pour accélérer l’imagerie de ces traceurs diamantés dans un milieu de plusieurs ordres de grandeur. »

La technologie qu’Ajoy et ses collègues rapportent dans leur journal cette semaine Procédure de l’Académie nationale des sciencesutilise un type relativement nouveau de traceur biologique: des microdiamants dont certains de leurs atomes de carbone ont été jetés et remplacés par de l’azote, laissant des espaces vides dans le cristal – les lacunes d’azote – qui émettent une fluorescence lorsqu’ils sont frappés par la lumière laser.

Ajoy utilise un isotope du carbone – le carbone-13 (C-13) – qui se produit naturellement dans les particules de diamant à une concentration d’environ 1%, mais qui pourrait également être enrichi en remplaçant de nombreux atomes de carbone dominants, le carbone-12. Les noyaux de carbone-13 sont plus facilement alignés ou polarisés par les centres de vacance polarisés en spin à proximité, qui se polarisent lorsqu’ils émettent une fluorescence après avoir été éclairés par un laser. Les noyaux polarisés C-13 fournissent un signal plus fort pour la résonance magnétique nucléaire (RMN) – la technologie au cœur de l’IRM.

En conséquence, ces diamants hyperpolarisés peuvent être détectés à la fois optiquement – en raison des lacunes d’azote fluorescent – et aux fréquences radio en raison du carbone-13 polarisé en spin. Cela permet l’imagerie en utilisant deux des meilleures techniques disponibles en même temps, avec un avantage particulier lors de la recherche profonde dans les tissus qui diffusent la lumière visible.

« L’imagerie optique souffre beaucoup lorsque vous entrez dans les tissus profonds. Même au-delà d’un millimètre, il y a beaucoup de diffusion optique. C’est un gros problème », a déclaré Ajoy. «L’avantage ici est que l’imagerie en radiofréquences et en lumière optique peut être réalisée avec le même traceur diamant. La même version de l’IRM que vous utilisez pour l’imagerie humaine peut être utilisée pour l’imagerie de ces particules de diamant, même si la signature de fluorescence optique est présente. est complètement dispersé. « 

Détecter le spin nucléaire

Ajoy se concentre sur l’amélioration de la RMN – une méthode très précise d’identification des molécules – et de son homologue d’imagerie médicale, l’IRM, dans l’espoir de réduire les coûts et de réduire la taille des machines. Une limitation de la RMN et de l’IRM est qu’elles nécessitent des aimants gros, puissants et coûteux pour aligner ou polariser les spins nucléaires des molécules dans les échantillons ou dans le corps afin qu’ils puissent être détectés par des impulsions d’ondes radio. Mais les humains ne peuvent pas résister aux champs magnétiques très élevés nécessaires pour polariser plusieurs spins en même temps, ce qui donnerait de meilleures images.

Une façon de surmonter ce problème consiste à modifier les spins nucléaires des atomes que vous souhaitez détecter afin que plus d’entre eux soient orientés dans la même direction plutôt que de manière aléatoire. Lorsque plus de rotations sont alignées, ce que l’on appelle l’hyperpolarisation, le signal capté par la radio est plus fort et des aimants moins puissants peuvent être utilisés.

Dans ses dernières expériences, Ajoy a utilisé un champ magnétique équivalent à celui d’un aimant de réfrigérateur bon marché et un laser vert bon marché pour hyperpolariser les atomes de carbone-13 dans le réseau cristallin des microdiamants.

« Il s’avère que lorsque vous jetez de la lumière sur ces particules, vous pouvez orienter leurs rotations à un degré très, très élevé – environ trois à quatre ordres de grandeur plus élevé que l’orientation des rotations dans un appareil IRM », a déclaré Ajoy. « Par rapport aux IRM hospitalières traditionnelles qui utilisent un champ magnétique de 1,5 Tesla, les carbones sont effectivement polarisés comme dans un champ magnétique de 1 000 Tesla. »

Lorsque les diamants sont ciblés à des emplacements spécifiques dans des cellules ou des tissus – par exemple, par des anticorps, qui sont souvent utilisés avec des traceurs fluorescents – ils peuvent être détectés à la fois par imagerie RMN du C-13 hyperpolarisé et par la fluorescence des lacunes d’azote dans le diamant. Les diamants dans le centre de vacance d’azote sont de plus en plus utilisés comme traceurs simplement en raison de leur fluorescence.

« Nous montrons une caractéristique intéressante de ces particules de diamant: le fait qu’elles se polarisent – elles peuvent donc être très brillantes dans un appareil d’IRM – mais elles émettent également une fluorescence optique », dit-il. « La même chose qui les équipe de la polarisation de spin leur permet également de produire une fluorescence optique. »

Les traceurs diamantés sont également peu coûteux et relativement faciles à utiliser, a déclaré Ajoy. Ensemble, ces nouveaux développements pourraient permettre un appareil d’imagerie RMN bon marché sur le bureau de chaque chimiste à l’avenir. De nos jours, seuls les grands hôpitaux peuvent se permettre le prix d’un million de dollars pour les IRM. Il travaille actuellement sur d’autres techniques pour améliorer la RMN et l’IRM, notamment l’utilisation de particules de diamant hyperpolarisées pour hyperpolariser d’autres molécules.


La technologie dérivée du diamant pourrait conduire à des outils d’imagerie médicale et de découverte de médicaments à faible coût


Plus d’information:
Xudong Lv el al., « Imagerie par résonance magnétique optique et 13C bi-mode sans fond dans les particules de diamant ». PNAS (2021). www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2023579118

Fourni par l’Université de Californie – Berkeley

Citation: Diamonds Use Both Optical Microscopy and MRI for Better Imaging (2021, 17 mai), consulté le 17 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05-diamonds-engage-optical-microscopy- mri.html

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