Lorsque des médecins ou des scientifiques veulent scruter des tissus vivants, il y a toujours un compromis entre la profondeur à laquelle ils peuvent sonder et la clarté de l'image qu'ils peuvent obtenir.

Avec des microscopes optiques, les chercheurs peuvent voir des structures à résolution submicronique à l'intérieur des cellules ou des tissus, mais seulement aussi profond que le millimètre ou pour que la lumière puisse pénétrer sans se disperser. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) utilise des fréquences radio qui peuvent atteindre partout dans le corps, mais la technique fournit une faible résolution - environ un millimètre, ou 1, 000 fois pire que la lumière.

Un chercheur de l'Université de Californie-Berkeley a maintenant montré que les traceurs de diamant microscopiques peuvent fournir simultanément des informations via l'IRM et la fluorescence optique, permettant potentiellement aux scientifiques d'obtenir des images de haute qualité jusqu'à un centimètre sous la surface des tissus, 10 fois plus profond que la lumière seule.

En utilisant deux modes d'observation, la technique pourrait également permettre une imagerie plus rapide.

La technique serait utile principalement pour étudier les cellules et les tissus à l'extérieur du corps, sonder le sang ou d'autres fluides pour les marqueurs chimiques de la maladie, ou pour des études physiologiques chez l'animal.

"C'est peut-être la première démonstration que le même objet peut être imagé simultanément en optique et en IRM hyperpolarisée, " dit Ashok Ajoy, Professeur adjoint de chimie à l'UC Berkeley. "Il y a beaucoup d'informations que vous pouvez obtenir en combinaison, car les deux modes valent mieux que la somme de leurs parties. Cela ouvre de nombreuses possibilités, où vous pouvez accélérer l'imagerie de ces traceurs diamantés dans un milieu de plusieurs ordres de grandeur."

La technique, qu'Ajoy et ses collègues rapportent cette semaine dans le journal Actes de l'Académie nationale des sciences , utilise un type relativement nouveau de traceur biologique :des microdiamants dont certains de leurs atomes de carbone ont été éliminés et remplacés par de l'azote, laissant derrière eux des taches vides dans le cristal - des lacunes d'azote - qui deviennent fluorescentes lorsqu'elles sont frappées par la lumière laser.

Ajoy exploite 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 pourrait également être enrichi davantage en remplaçant de nombreux atomes de carbone dominants, carbone-12. Les noyaux de carbone-13 sont plus facilement alignés, ou polarisé, par des centres d'inoccupation polarisés en spin à proximité, qui se polarisent en même temps qu'elles deviennent fluorescentes après avoir été éclairées par un laser. Les noyaux C-13 polarisés produisent un signal plus fort pour la résonance magnétique nucléaire (RMN), la technique au cœur de l'IRM.

Par conséquent, ces diamants hyperpolarisés peuvent être détectés à la fois optiquement - en raison des centres de lacunes d'azote fluorescent - et à des fréquences radio, à cause du carbone-13 polarisé en spin. Cela permet une imagerie simultanée par deux des meilleures techniques disponibles, avec un avantage particulier lorsque l'on regarde profondément à l'intérieur des tissus qui diffusent la lumière visible.

« L'imagerie optique souffre énormément lorsqu'on pénètre dans les tissus profonds. Même au-delà de 1 millimètre, vous obtenez beaucoup de diffusion optique. Ceci est un problème majeur, " a déclaré Ajoy. " L'avantage ici est que l'imagerie peut être effectuée en radiofréquences et en lumière optique en utilisant le même traceur de diamant. La même version d'IRM que vous utilisez pour l'imagerie à l'intérieur des personnes peut être utilisée pour l'imagerie de ces particules de diamant, même lorsque la signature de fluorescence optique est complètement dispersée."

Détection du spin nucléaire

Ajoy se concentre sur l'amélioration de la RMN, un moyen très précis d'identifier des molécules, et de son pendant en imagerie médicale, IRM, dans l'espoir d'abaisser le coût et de réduire la taille des machines. Une limitation de la RMN et de l'IRM est que des aimants puissants et coûteux sont nécessaires pour aligner ou polariser les spins nucléaires des molécules à l'intérieur des échantillons ou du corps afin qu'ils puissent être détectés par des impulsions d'ondes radio. Mais les humains ne peuvent pas supporter les champs magnétiques très élevés nécessaires pour obtenir de nombreux spins polarisés à la fois, ce qui fournirait de meilleures images.

Une façon de surmonter cela est de modifier les spins nucléaires des atomes que vous souhaitez détecter afin que plus d'entre eux soient alignés dans la même direction, au lieu d'être aléatoire. Avec plus de tours alignés, appelé hyperpolarisation, le signal détecté par 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 si vous éclairez ces particules, vous pouvez aligner leurs tours sur un très, degré très élevé - environ trois à quatre ordres de grandeur supérieur à l'alignement des spins dans un appareil d'IRM, " a déclaré Ajoy. " Par rapport aux IRM hospitalières conventionnelles, qui utilisent un champ magnétique de 1,5 teslas, les carbones sont polarisés efficacement comme ils l'étaient dans un 1, champ magnétique de 000 teslas."

Lorsque les diamants sont ciblés sur des sites spécifiques dans les cellules ou les tissus - par des anticorps, par exemple, qui sont souvent utilisés avec des traceurs fluorescents - ils peuvent être détectés à la fois par imagerie RMN du C-13 hyperpolarisé et par fluorescence des centres de lacunes d'azote dans le diamant. Les diamants à centre de lacunes d'azote sont déjà de plus en plus utilisés comme traceurs pour leur seule fluorescence.

"Nous montrons une caractéristique intéressante de ces particules de diamant, le fait qu'ils se polarisent en rotation - ils peuvent donc briller très fort dans un appareil d'IRM - mais ils sont également fluorescents optiquement, " a-t-il dit. " La même chose qui leur confère la polarisation de spin leur permet également de devenir fluorescents optiquement. "

Les traceurs diamantés sont également peu coûteux et relativement faciles à utiliser, dit Ajoy. Ensemble, ces nouveaux développements pourraient, à l'avenir, permettre une machine d'imagerie RMN peu coûteuse sur la paillasse de chaque chimiste. Aujourd'hui, 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, y compris l'utilisation de particules de diamant hyperpolarisées pour hyperpolariser d'autres molécules.