Imágenes de resonancia magnética de protones hiperpolarizados utilizadas para observar los procesos metabólicos en tiempo real
Una nueva técnica que utiliza la hiperpolarización de espín nuclear del hidrógeno abre el camino a nuevos avances en el campo de la IRM
La imagen por resonancia magnética (IRM) ya se utiliza ampliamente en medicina con fines de diagnóstico. La IRM hiperpolarizada es un desarrollo más reciente y su potencial de investigación y aplicación aún no se ha explorado del todo. Investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) y del Instituto Helmholtz de Maguncia (HIM) han presentado una nueva técnica para observar los procesos metabólicos del organismo. Su método de resonancia magnética de contraste singlete emplea parahidrógeno de fácil producción para seguir los procesos bioquímicos en tiempo real. Los resultados de su trabajo se han publicado en Angewandte Chemie International Edition y han sido elegidos por los editores como "hot paper", es decir, una publicación importante en un campo de rápido desarrollo y gran relevancia.
El maniquí utilizado para la obtención de imágenes hiperpolarizadas, con una ilustración de los cortes de imagen adquiridos mediante la nueva técnica.
©: Laurynas Dagys / Universität Southampton
En las últimas décadas, se ha convertido en una práctica habitual el uso de la resonancia magnética para los exámenes médicos. Puede utilizarse para investigar los tejidos blandos del cuerpo, como el cerebro, los discos intervertebrales e incluso la formación de tumores. "Las imágenes de resonancia magnética pueden mostrarnos la estructura del cerebro, por ejemplo, pero no nos dicen nada sobre los procesos biomoleculares que ocurren en el cuerpo, en parte debido a la escasa sensibilidad de la resonancia magnética", dijo el Dr. James Eills, primer autor del estudio y miembro del grupo de trabajo dirigido por el profesor Dmitry Budker en la JGU y el HIM.
Utilizar átomos de hidrógeno en lugar de isótopos de carbono o nitrógeno
Una forma de mejorar significativamente las señales de RMN es la hiperpolarización. Con ella se consigue una alineación significativa de los espines nucleares que generan la señal con la ayuda de un campo magnético externo. La resonancia magnética potenciada por hiperpolarización ya se utiliza para estudiar los procesos biomoleculares en el cuerpo; por desgracia, el uso del isótopo de carbono C-13 o del isótopo de nitrógeno N-15 se asocia con ciertas desventajas. "Por tanto, sería muy beneficioso que pudiéramos utilizar directamente átomos de hidrógeno. El hidrógeno tiene una mayor sensibilidad, es más abundante y el equipo de detección está fácilmente disponible", declaró Eills. Sin embargo, un inconveniente del hidrógeno es su rápido tiempo de relajación. Esto significa que los átomos hiperpolarizados vuelven a su estado original tan rápidamente que es difícil generar imágenes.
El Dr. James Eills y sus colegas abordaron este problema utilizando un estado cuántico especial de los núcleos de hidrógeno llamado estado singlete, que deriva del llamado parahidrógeno. "Esto significa que pudimos superar los inconvenientes de las imágenes de protones hiperpolarizados, en particular los relacionados con el corto tiempo de relajación", explicó Eills. Mientras que el hidrógeno suele tener un tiempo de relajación de unos segundos, éste puede ser de minutos en el caso de los estados singlete. El estado singlete tampoco es magnético y, por tanto, no puede observarse. Sólo puede observarse cuando la molécula deja de ser simétrica.
Cuando se utiliza el fumarato, el metabolismo desencadena la hiperpolarización
En el estudio que nos ocupa, los científicos describen su técnica de resonancia magnética con contraste singlete utilizando fumarato, una biomolécula que se produce de forma natural como producto intermedio del metabolismo. En primer lugar, el fumarato se produce a partir de una molécula precursora y un parahidrógeno. El fumarato hiperpolarizado se convierte en malato mediante la adición de una molécula de agua pesada. Esta conversión elimina la simetría de la molécula, haciéndola magnética y detectable. "Entonces podemos utilizar las señales magnéticas asociadas para obtener imágenes", señaló el Dr. James Eills.
El fumarato marcado con carbono-13 ya es una molécula que desempeña un papel importante en la obtención de imágenes hiperpolarizadas. Este trabajo abre la posibilidad de realizar imágenes de fumarato con todas las ventajas de observar el hidrógeno en lugar del cabón-13. Además, el uso de parahidrógeno también sería beneficioso debido a que se puede producir fácilmente: El hidrógeno gaseoso simplemente se enfría en presencia de un catalizador, que luego se elimina. El parahidrógeno resultante puede entonces calentarse y permanece estable en el estado para durante meses.
"La resonancia magnética hiperpolarizada se encuentra en las primeras fases de su desarrollo, y nuestra aportación es una nueva y emocionante variante de la resonancia magnética", concluyó Eills. Es posible registrar imágenes de la señal hiperpolarizada en diferentes momentos, lo que permite el seguimiento en tiempo real de los procesos metabólicos.
"La combinación de la polarización inducida por parahidrógeno con los estados de espín de larga duración y la conversión enzimática abre por fin la puerta a una resonancia magnética rentable del fumarato y de marcadores tumorales similares en el metabolismo del cáncer", añadió el profesor Gerd Buntkowsky, jefe del grupo de Química Física de la Materia Condensada de la Universidad Técnica de Darmstadt y autor correspondiente del trabajo.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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