Dans la science, bon nombre des événements les plus intéressants se produisent à une échelle bien plus petite que celle que l'œil humain peut voir. Les chercheurs en médecine pourraient réaliser une série de percées s'ils pouvaient regarder au plus profond des cellules biologiques vivantes, mais les méthodes d'imagerie existantes manquent de la sensibilité et de la résolution souhaitées ou nécessitent des conditions qui conduisent à la mort cellulaire, telles que les températures cryogéniques. Récemment, cependant, une équipe de chercheurs dirigés par l'Université Harvard travaillant sur le programme Quantum-Assisted Sensing and Readout (QuASAR) de la DARPA a démontré l'imagerie des structures magnétiques à l'intérieur des cellules vivantes. En utilisant des équipements fonctionnant à température et pression ambiantes, l'équipe a pu afficher des détails jusqu'à 400 nanomètres, qui est à peu près la taille de deux virus de la rougeole. Pour un sens de l'échelle, voir :learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/scale/.

La technique de l'équipe Harvard QuASAR est décrite dans un La nature article intitulé « Imagerie magnétique optique de cellules vivantes ». Essentiellement, les chercheurs ont utilisé des imperfections dans le diamant connues sous le nom de centres de couleur de manque d'azote (NV) pour fonctionner comme des sondes de haute précision des champs magnétiques produits par des bactéries magnétotactiques vivantes, des organismes qui contiennent des nanoparticules magnétiques. En utilisant une gamme de ces centres de couleur NV conçus à des points et à une densité spécifiques dans une puce de diamant, les chercheurs ont pu localiser les structures magnétiques de chaque bactérie et construire des images des champs magnétiques qu'elles produisent.

Les résultats de l'équipe ont plusieurs applications potentielles et pourraient conduire à d'autres domaines d'étude :

• En principe, cette technique permettrait de détailler, observation en temps réel des processus cellulaires internes, comme la mort cellulaire, évolution et division, et comment les cellules sont affectées par la maladie.
• Les mesures des chercheurs sont directement applicables à l'étude de la formation de nanoparticules magnétiques dans d'autres organismes, qui présente un intérêt pour l'amélioration du contraste en imagerie par résonance magnétique (IRM), et a été liée à des troubles neurodégénératifs.
• La formation de nanoparticules magnétiques a été proposée comme mécanisme de navigation magnétique dans les organismes supérieurs.

Dans un développement connexe, deux équipes distinctes de chercheurs QuASAR, dirigé par l'Université de Stuttgart en Allemagne et le centre de recherche Almaden d'IBM, développé un magnétomètre à l'échelle nanométrique qui permet l'imagerie par résonance magnétique (IRM) avec une résolution suffisante pour mesurer aussi peu que 10, 000 protons dans un volume de seulement 125 nanomètres cubes, qui se rapproche du niveau des molécules de protéines individuelles. Technologies IRM antérieures, même lorsqu'ils sont poussés à leurs limites, n'ont pas permis une résolution au-delà de quelques micromètres en raison de facteurs de distorsion comme le bruit magnétique de fond. La nouvelle technique des équipes QuASAR, appelé nano-IRM, surmonte cette limitation en utilisant un seul centre de couleur NV intégré près de la surface d'une puce de diamant pour mesurer les signaux de résonance magnétique nucléaire. Il peut être utilisé pour mesurer le champ magnétique en un seul point sur une structure, ou balayez la surface pour imager la structure en mesurant plusieurs points. Le travail est décrit dans deux articles dans le 1er février, édition 2013 de Science :"Nanoscale Nuclear Magnetic Resonance with a Nitrogen-Vacancy Spin Sensor" et "www.sciencemag.org/content/339/6119/561"> Spectroscopie de résonance magnétique nucléaire sur un (5 nanomètres) ³ Volume d'échantillon."

La technologie nano-IRM offre l'avantage supplémentaire de travailler à température ambiante, éliminant le besoin d'équipements cryogéniques coûteux. Inversement, L'IRM traditionnelle utilise des machines encombrantes qui nécessitent fréquemment un refroidissement cryogénique.

Les travaux de l'Université de Stuttgart et d'IBM sur QuASAR pourraient potentiellement offrir une gamme d'avantages et de capacités médicaux futurs :

• Soutenir le développement futur de médicaments en facilitant une meilleure compréhension de la structure des protéines.
• Activer détaillé, cartographie tridimensionnelle de molécules biologiques, avec une sensibilité suffisante pour identifier des éléments spécifiques. Ces informations pourraient rationaliser l'évaluation des médicaments inhibiteurs contre les virus naturels et issus de la bio-ingénierie.
• Permettre la mesure du champ magnétique des neurones qui déclenchent.

« Dans QuASAR, nous construisons des capteurs qui capitalisent sur l'extrême précision et le contrôle de la physique atomique. Nous espérons que ces nouveaux outils de mesure pourront fournir de nouvelles capacités aux communautés scientifiques et opérationnelles au sens large, " a déclaré Jamil Abo-Shaeer, Responsable du programme DARPA. "Le travail que ces équipes effectuent pour appliquer la mesure assistée par quantique à l'imagerie biologique pourrait profiter aux efforts du DoD pour développer des médicaments et des thérapies spécialisés, et potentiellement soutenir le travail de la DARPA pour mieux comprendre le fonctionnement du cerveau humain."

Les trois efforts ont été menés en tant que recherche fondamentale. Les travaux futurs pourraient inclure des tentatives pour :augmenter la sensibilité des dispositifs de mesure en les rapprochant encore plus des organismes à mesurer; intégrer des nano-diamants avec des centres NV dans des cellules vivantes pour des études in vitro afin de mesurer les champs magnétiques et la température ; et permettre l'imagerie par champ magnétique assistée par NV de biomolécules étiquetées.