Des chercheurs de l'Université de Melbourne ont développé une technique qui pourrait augmenter la sensibilité de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) pour le diagnostic des patients.

La nouvelle technique fonctionne en augmentant la force du champ magnétique produit par les molécules, et donc augmenter leur signal lorsqu'il est mesuré par IRM.

L'équipe a conçu des défauts spécifiques dans les cristaux de diamant qui exercent une influence mécanique quantique contrôlée sur les spins nucléaires dans les molécules voisines, y compris potentiellement ceux utilisés en imagerie métabolique des tumeurs cérébrales, en les faisant « aligner » (polariser) dans une orientation spécifique.

Cet état hyperpolarisé des spins nucléaires est hautement ordonné et augmente le champ magnétique qui peut être détecté par des techniques comme l'IRM.

C'est la première fois que cette polarisation des noyaux moléculaires est mise en évidence à l'aide d'une telle sonde quantique à base de diamant.

Le professeur Lloyd Hollenberg, chercheur à l'École de physique de l'Université de Melbourne, a dirigé l'équipe de recherche, avec l'ouvrage publié dans Communication Nature .

Professeur Hollenberg, qui est directeur adjoint du CQC2T et chaire Thomas Baker à l'Université de Melbourne, a déclaré que les meilleurs scanners IRM au monde atteignent maintenant le champ magnétique maximal qui peut être toléré par le corps humain alors que la technologie s'efforce d'obtenir une plus grande sensibilité.

"Les aimants supraconducteurs qui produisent ces champs sont aussi la raison pour laquelle les scanners IRM coûtent des millions de dollars, car les aimants doivent être maintenus à des températures cryogéniques, " a déclaré le professeur Hollenberg.

"Il est clair qu'une approche disruptive est nécessaire, nous cherchons donc à utiliser la technologie quantique pour produire une plus grande intensité de signal de certaines cibles moléculaires au niveau atomique. »

Le candidat au doctorat de l'Université de Melbourne, David Broadway, a déclaré que la technique fonctionnait à l'aide d'un aimant de réfrigérateur et d'un peu de mécanique quantique au niveau atomique.

"Nous pouvons considérer les noyaux de l'atome comme une aiguille de boussole qui produit un champ magnétique qui dépend de son orientation, ", a déclaré M. Broadway.

"Quand il y a plusieurs aiguilles de boussole pointant dans des directions différentes, le champ résultant tend vers zéro en moyenne, mais lorsque les boussoles pointent toutes dans la même direction, les contributions au champ de chaque aiguille de boussole s'additionneront à quelque chose de mesurable, " il a dit.

"Donc, le fait d'avoir tous les noyaux alignés rend le champ magnétique plus fort et donc la lecture par IRM peut capter plus de détails.

"Actuellement, Les IRM peuvent obtenir environ un sur un million de tours nucléaires à aligner, alors que notre méthode pourrait atteindre près de 100 pour cent pour s'aligner dans les molécules, améliorant potentiellement la sensibilité de l'imagerie par des ordres de grandeur."

Les diamants modifiés pourraient être utilisés pour construire une puce « hyperpolarisation quantique », sur laquelle un agent de contraste moléculaire cible pourrait être coulé. L'interaction mécanique quantique entre la cible et les sondes quantiques est exploitée pour transférer la polarisation du diamant à l'agent, qui pourrait être injecté dans, ou inhalé par, un patient avant son IRM. L'agent conserve sa polarisation assez longtemps pour, par exemple, se rendre sur un site tumoral, facilitant l'imagerie par IRM.

Le chercheur postdoctoral Dr Liam Hall a déclaré que la médecine de précision basée sur l'IRM utilise déjà ce type d'imagerie, mais le coût de l'infrastructure requise peut rivaliser avec celui des scanners IRM eux-mêmes.

"En outre, nous n'utiliserions la lumière qu'à travers les diamants dans la production mécanique quantique d'agents de contraste polarisés déjà approuvés pour une utilisation de routine. Donc rien de toxique n'entrerait dans le corps, " dit le docteur Hall.

"La technique est issue de notre travail de développement de la technologie de détection quantique, et la réalisation que ces sondes quantiques à base de diamant peuvent exercer une puissante influence sur les spins nucléaires environnants lorsque nous optimisons les conditions dans lesquelles elles se "parlent" directement", dit le docteur Hall, qui a proposé le concept théorique.

« Dans un sens, la sonde quantique extrait le désordre de spin aléatoire de la molécule cible (« chaude ») pour produire un état aligné de spin ordonné (« froid »). Le potentiel d'application en hyperpolarisation pour l'IRM est rapidement devenu clair."

La puissance de la technique quantique se manifeste dès la démonstration expérimentale.

Le professeur Hollenberg a déclaré :« Pour le mettre en contexte, atteindre le même niveau de polarisation avec une approche conventionnelle, nous aurions besoin d'augmenter le champ magnétique d'un facteur d'environ 100, 000 fois, et vous allez seulement trouver des champs comme ça dans une étoile à neutrons."

Les techniques d'hyperpolarisation des spins nucléaires pourraient avoir un certain nombre d'applications importantes dans les sciences physiques et de la vie.

Les métabolites hyperpolarisés peuvent être injectés aux patients et se déplaceront vers les sites tumoraux et où ils peuvent être surveillés en temps réel à l'aide de l'IRM au fur et à mesure qu'ils sont métabolisés ; et les gaz hyperpolarisés peuvent être inhalés pour l'imagerie IRM des poumons et de leur fonction. Ces deux techniques ont un rôle central à jouer dans l'ère naissante de la médecine personnalisée.

L'hyperpolarisation des molécules cibles augmente également le rapport signal sur bruit de la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) à haute résolution, ce qui en fait un outil important pour l'étude de systèmes biomoléculaires complexes.

" Clairement la prochaine étape, sur lequel nous nous concentrons fortement, est de répéter ce processus en utilisant des matrices d'ingénierie de taille macroscopique de ces sondes quantiques en diamant pour étendre cette technologie, " a déclaré le professeur Hollenberg.

"Plus de sondes équivaut à plus de polarisation et plus de molécules d'agent de contraste produites, mais les sondes commencent à se perturber mécaniquement quantiquement si elles sont trop serrées, il faut donc trouver le bon équilibre, .

"Si nous pouvons cocher cette case, nous pouvons alors penser à polariser les volumes d'agents de contraste IRM détectables par les scanners IRM trouvés dans les laboratoires de recherche et les hôpitaux."