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Pesquisadores aplicam tecnologia quântica em imagens de câncer

Fonte

TUM | Universidade Técnica de Munique

Data

segunda-feira, 14 novembro 2022 06:00

Áreas

Biomarcadores. Biomedicina. Biotecnologia. Diagnóstico. Medicina de Precisão. Oncologia. Radiologia. Ressonância Magnética. Saúde Pública.

Rastrear o metabolismo das células tumorais usando Ressonância Magnética (MRI) não tem sido viável em ambientes clínicos de rotina até agora. Mas, recentemente, uma equipe de pesquisa interdisciplinar, incluindo pesquisadores da Universidade Técnica de Munique (TUM), na Alemanha, está trabalhando para avançar no desenvolvimento de um hiperpolarizador baseado em tecnologia quântica para que possa ser implantado em aplicações clínicas. O objetivo é melhorar significativamente as imagens de ressonância magnética de processos metabólicos – por exemplo, para permitir uma avaliação mais precoce e precisa dos tumores, bem como para melhorar a seleção e o monitoramento de terapias tumorais.

A mecânica quântica descreve fenômenos físicos na menor das escalas – no domínio de moléculas, átomos, núcleos atômicos e unidades ainda menores. O impulso para revolucionar diversos domínios de nossas vidas diárias usando tecnologia quântica, como computação quântica ou sensores quânticos, surgiu bem antes do Prêmio Nobel de Física deste ano ser concedido a três cientistas por seu trabalho neste campo. Como essas novas tecnologias podem ser implantadas no campo da Medicina?

Imagens metabólicas e a visualização de processos metabólicos

Detectar células cancerosas em estágios iniciais, avaliá-las com maior precisão e avaliar a eficácia dos tratamentos mais rapidamente: tudo isso pode ser facilitado pela visualização de processos metabólicos em células doentes e saudáveis. Isso é conhecido como ‘imagem metabólica’. Para isso, moléculas diagnósticas relevantes são injetadas no corpo e seu metabolismo é monitorado.

Uma abordagem é usar a tomografia por emissão de pósitrons (PET). No entanto, este método requer substâncias radioativas e não consegue distinguir entre os produtos iniciais e finais nos processos metabólicos. A ressonância magnética, por outro lado, permite imagens metabólicas de vários metabólitos sem o uso de substâncias radioativas, embora isso seja possível apenas se o sinal de ressonância magnética das moléculas injetadas for amplificado o suficiente para torná-lo detectável. Embora os estudos iniciais de pacientes mostrem grande potencial de imagens metabólicas com MRI, as tecnologias de amplificação de sinal implantadas até agora são proibitivamente caras, insuficientemente robustas ou lentas. Isso impediu a implantação de rotina dessas tecnologias em ambientes clínicos até agora.

A equipe de pesquisa interdisciplinar do projeto Revolutionizing Cancer Imaging with Quantum Technologies (QuE-MRI) está agora desenvolvendo uma nova solução: um chamado hiperpolarizador quântico usa leis físicas quânticas para amplificar o sinal de moléculas metabólicas na ressonância magnética em até 100.000 vezes.

Imagens com as leis da mecânica quântica

A tecnologia das máquinas comuns de ressonância magnética aproveita as propriedades da mecânica quântica dos núcleos atômicos associadas ao chamado spin, ou momento angular. Cada rotação nuclear gera um momento magnético, não muito diferente do ímã dipolo de uma agulha de bússola.

O alinhamento dos spins nucleares determina a força do momento magnético geral dos núcleos atômicos. Isso, por sua vez, determina a intensidade do sinal, que é usado para imagens de ressonância magnética. Quando a distribuição direcional dos momentos magnéticos é aleatória, eles se cancelam e a máquina de ressonância magnética não detecta nenhum sinal. O sinal mais forte é alcançado quando os momentos magnéticos dos spins nucleares apontam na mesma direção, resultando na máxima magnetização efetiva.

A ressonância magnética usa campos magnéticos muito fortes para tornar isso possível. No entanto, os momentos magnéticos dos spins nucleares são distribuídos quase aleatoriamente e, portanto, têm apenas baixa magnetização efetiva. A técnica de hiperpolarização aumenta a magnetização efetiva dos spins nucleares por um fator de 10.000 a 100.000 vezes, aumentando significativamente a sensibilidade da ressonância magnética.

Hiperpolarização de moléculas metabólicas relevantes para o diagnóstico

No entanto, na prática, é difícil atrair os núcleos atômicos das moléculas metabólicas para um estado hiperpolarizado. Os pesquisadores, portanto, usam uma etapa intermediária baseada em um estado magnético especial do hidrogênio, chamado para-hidrogênio. Isso pode ser produzido a baixas temperaturas usando métodos com nitrogênio líquido e armazenamento em cilindros de gás.

As propriedades do para-hidrogênio também se baseiam nas leis da mecânica quântica. Enquanto o para-hidrogênio em si é blindado magneticamente e não mensurável usando métodos de ressonância magnética, sua configuração de spin pode hiperpolarizar outros núcleos atômicos, aumentando sua visibilidade na ressonância magnética.

Usando essa abordagem, os pesquisadores hiperpolarizaram moléculas importantes para estudar processos metabólicos. O piruvato, por exemplo, um produto metabólico que é transformado em ácido lático por tumores, é particularmente adequado para fins de diagnóstico. Os pesquisadores encaixam o para-hidrogênio no piruvato no hiperpolarizador e usam sua configuração de spin para hiperpolarizar um átomo de carbono do piruvato em um campo magnético usando ondas de rádio. O sinal do piruvato é, assim, aprimorado na ressonância magnética, permitindo que o processo metabólico correspondente seja visualizado com resolução temporal.

Os parceiros do projeto já desenvolveram protótipos funcionais do hiperpolarizador. No projeto QuE-MRI, pesquisadores, médicos, parceiros industriais e desenvolvedores nas áreas de medicina, física, química e engenharia agora estão colaborando estreitamente para otimizar esses protótipos para que o hiperpolarizador possa ser implantado clinicamente em grande escala. Além disso, a equipe do projeto planeja validar a tecnologia não invasiva e não radioativa em ensaios clínicos iniciais para o diagnóstico de câncer.

Acesse a notícia completa na página da Universidade Técnica de Munique (em inglês).

Fonte: Carolin Lerch, Centro de Comunicação Corporativa, TUM.

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