La resonancia magnética (RM) es una herramienta invaluable en el mundo de la medicina. Sin embargo, a pesar de sus beneficios, siempre hay margen de mejora. Una forma de aumentar la sensibilidad de la RM se llama polarización nuclear dinámica (DNP), donde las moléculas objetivo para la imagen se modifican para formar imágenes más claras al ser escaneadas con una máquina de RM. Pero esta técnica requiere materiales cristalinos especiales mezclados con agentes polarizantes que son difíciles de crear. Por primera vez, investigadores de la Universidad de Tokio, entre otros, demuestran el uso de moléculas llamadas fulerenos como agentes polarizantes. Su nuevo método puede hacer que los objetivos de DNP sean suficientes para producir una claridad mucho mayor en las imágenes obtenidas con una máquina de RM, con posibles beneficios en diversas aplicaciones médicas.
Si tiene la suerte de no haber visitado nunca el interior de una máquina de RM, probablemente esté familiarizado con ellas: enormes anillos que rodean a una persona y la escanean ruidosamente para crear imágenes 3D detalladas con fines diagnósticos. Desde su introducción generalizada en el mundo de la medicina hace más de cuatro décadas, las máquinas de RM han permitido a los clínicos e investigadores utilizar datos 3D para diversos fines de diagnóstico e investigación. Pero, como con cualquier máquina, constantemente se proponen mejoras para optimizar algún aspecto, ya sea el tamaño, el costo, el ruido, las funciones o las capacidades.
Una RM típica funciona creando un campo magnético grande. Esto obliga a los protones de las moléculas de agua en el cuerpo o la muestra a alinearse. La máquina luego emite ondas de radio que sacan a estos protones de su alineación, para que vuelvan a alinearse bajo la fuerza del campo magnético. Al realinearse, los protones emiten una señal de radio característica que la máquina detecta y utiliza para identificar el tipo de tejido del que proviene la señal. Pero, como puede haber deducido, esto significa que las máquinas de RM típicas se limitan a la detección de muestras ricas en agua. Por lo tanto, los investigadores buscaron una forma de ampliar el alcance de lo que las máquinas pueden detectar, y es aquí donde entra en juego la nueva investigación del Departamento de Química.
Una forma establecida de mejorar el detalle y el contenido informativo de las imágenes de RM es utilizar objetivos químicos en el paciente o la muestra. DNP funciona de esta manera, pero requiere agentes para polarizar las moléculas objetivo, lo que a su vez generalmente requiere temperaturas extremadamente frías, o criogénicas, y condiciones de campo magnético alto. Pero hemos demostrado una forma más fácil de polarizar los objetivos. Nuestro trabajo muestra que, utilizando moléculas especialmente diseñadas llamadas fulerenos, podemos aumentar la tasa de polarización al 14,2% en una muestra de material desordenado, similar al vidrio. Este nivel es lo suficientemente alto para aplicaciones biológicas donde un umbral del 10% es el mínimo deseado; de lo contrario, las moléculas polarizadas se descomponen demasiado rápido para que sus señales produzcan imágenes útiles.
Profesor Nobuhiro Yanai, Departamento de Química
Los fulerenos, también conocidos como buckyballs, son retículas geométricas tridimensionales de átomos de carbono, que han atraído la atención de los investigadores debido a que se pueden modificar de diferentes maneras para crear materiales funcionales. En este caso, Yanai y su equipo agregaron ciertas modificaciones a los fulerenos que evitaron sus rotaciones para que permanecieran polarizados. Cuando se colocan en una muestra, los electrones de estos fulerenos transfieren su polarización de espín a los núcleos de los átomos cercanos, y es esta polarización la que se traduce en señales más fuertes para que los sensores de imagen las detecten. Y todo lo que los investigadores necesitan hacer para inducir a sus fulerenos especiales, llamados isómeros trans-3a, a hacer esto es iluminarlos con un tipo específico de luz.
«La polarización de los objetivos se realiza fuera del cuerpo. Después de la polarización, la muestra se disuelve y el fullereno, que podría ser dañino, se elimina antes de la inyección en un paciente hipotético», dijo la estudiante de posgrado Kieta Sakamoto. «Debido a que este método, triplet-DNP, evita la necesidad de un refrigerante de helio líquido, puede funcionar con equipos mucho más simples y económicos. También hace posible polarizar a granel sondas químicas de diagnóstico como el piruvato o los fármacos anticancerígenos que la RM convencional no puede detectar. Nuestro próximo objetivo es desarrollar matrices biocompatibles para que podamos hiperpolarizar tales moléculas de importancia médica. Planeamos demostrar la RM de alta sensibilidad en modelos animales primero. Si esos experimentos tienen éxito y se realizan ensayos clínicos, esperamos que esta tecnología pueda llegar a entornos médicos reales en unos 10 a 20 años.»
Fuente:
Referencia del diario:
Sakamoto, K., et al. (2025). Substituted Fullerenes for Enhanced Optical Nuclear Hyperpolarization in Random Orientations. Nature Communications. doi: 10.1038/s41467-025-66211-y. https://www.nature.com/articles/s41467-025-66211-y
