La technique non invasive et salvatrice connue sous le nom d'imagerie par résonance magnétique fonctionne en alignant les atomes d'hydrogène dans un champ magnétique puissant et en pulsant des ondes de radiofréquence pour convertir la réponse de ces atomes en une image.

On pourrait dire que le domaine de provenance de l'IRM est la chimie - l'IRM fonctionne en exploitant les propriétés magnétiques inhérentes des atomes individuels. Et si, au lieu de simplement créer des images, un appareil d'IRM pouvait extraire des informations détaillées sur la chimie du corps, par exemple, les niveaux de pH à proximité d'une tumeur ou les anomalies de température qui se produisent autour d'une blessure ? Et si les principes physiques de l'imagerie magnétique pouvaient être appliqués à toutes sortes de changements chimiques, jusqu'au niveau des atomes et des molécules, et pouvaient nous donner de nouvelles connaissances sans précédent sur la santé et les maladies humaines ?

Ces questions « et si » orientent le travail du professeur adjoint du Département de chimie Joseph Zadrozny et de son équipe d'étudiants et de chercheurs. Chimiste inorganique à la frontière entre la chimie et la physique quantique, Zadrozny a construit un laboratoire à l'Université d'État du Colorado dont l'objectif principal est de concevoir des molécules qui permettent à l'imagerie par résonance magnétique de faire des choses qu'elle ne peut pas faire actuellement. Ce faisant, les chercheurs découvrent des informations fondamentales sur la façon dont les propriétés magnétiques des molécules contenant des ions métalliques réagissent à leur environnement, que cela signifie des changements extrêmement faibles de température, de pH ou d'autres paramètres.

"Nous vivons, respirons et parlons des réacteurs chimiques", a déclaré Zadrozny. "Si vous pouviez imaginer cette chimie, ce serait vraiment puissant."

Noyau qui agit comme un électron

Dans une percée vers leur objectif de fabriquer de nouvelles sondes d'imagerie magnétique avec une sensibilité extrême à la température, l'équipe de Zadrozny a publié un article dans le Journal of the American Chemical Society qui décrit une molécule à base de cobalt qu'ils ont conçue pour être un thermomètre chimique non invasif. Ils ont utilisé leur expertise en conception moléculaire pour faire en sorte que le spin nucléaire du complexe de cobalt - un cheval de bataille, une propriété magnétique fondamentale - imite la sensibilité agile, mais moins stable, du spin d'un électron. "Spin" est ce qui donne aux particules subatomiques leur magnétisme.

En faisant en sorte que le noyau de cobalt agisse essentiellement comme un électron, ils ont montré que ce complexe spécial de cobalt pourrait un jour constituer la base d'une puissante sonde d'imagerie moléculaire capable de lire des changements de température extrêmement subtils à l'intérieur du corps. L'imagination pourrait se déchaîner quant à la manière dont ce phénomène pourrait être utilisé :les médecins pourraient détecter les moindres changements de température autour d'une tumeur encore invisible. Une procédure d'ablation thermique en cabinet pourrait atteindre une précision au niveau moléculaire, tuant les tissus malades tout en évitant les tissus sains.

Créer une sonde de détection de température avec le matériau en cobalt, qui dans un cabinet médical pourrait un jour être injecté ou ingéré afin de communiquer les signaux de température du corps,

profiterait du magnétisme contrôlable d'un noyau. Il aurait également la propriété souhaitable de lire les informations par ondes radiofréquences, sans danger pour le corps humain ou animal. Une telle sonde magnétique fonctionnerait également à température ambiante, selon les chercheurs.

L'utilisation des propriétés magnétiques des électrons en rotation - un domaine d'étude populaire pour les physiciens essayant de fabriquer des ordinateurs quantiques - est moins idéale pour l'imagerie biomédicale. Une raison :exploiter le magnétisme des électrons nécessite des micro-ondes, qui sont dangereuses pour l'homme (imaginez avoir besoin d'être micro-ondes pour passer une IRM). De telles sondes à base d'électrons ne fonctionneraient pas non plus à température ambiante - elles devraient être beaucoup plus froides.

Expériences de résonance magnétique nucléaire

Pour mener leurs expériences, l'équipe de Zadrozny dirigée par le chercheur postdoctoral Ökten Üngör a conçu la molécule de cobalt et testé sa sensibilité à la température à l'aide d'un spectromètre à résonance magnétique nucléaire de 500 mégahertz situé dans le noyau de ressources analytiques du CSU. L'ARC est une installation partagée gérée par le vice-président de la recherche située dans le bâtiment de chimie qui permet aux chercheurs de l'ensemble du campus de mener des recherches via des instruments analytiques de pointe.

"Nous avons montré, via des expériences de résonance magnétique nucléaire, que la sensibilité surpassait les molécules comparables par des ordres de grandeur", a déclaré Üngör.

Un large éventail d'applications pourrait être en réserve pour la molécule de cobalt des chercheurs. "La chimie autour de l'atome de cobalt est hautement réglable et nous pouvons la contrôler à un degré élevé", a déclaré Üngör. "Non seulement ce travail est prometteur dans le domaine médical, mais les étapes de base et la théorie peuvent conduire à des avancées dans le domaine de l'informatique quantique. Nous pourrions trouver encore plus d'applications à mesure que nous poursuivrons nos recherches."

L'équipe pourrait ensuite explorer la conception améliorée de la sonde d'imagerie à base de cobalt pour la rendre plus stable en solution aqueuse. Pour l'instant, la sensibilité à la température du matériau est stupéfiante, mais la molécule n'est pas assez robuste pour survivre longtemps dans l'organisme, ce qui serait nécessaire dans une application médicale. + Explorer plus loin

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