Polarizzazione nucleare dinamica: come una tecnica della fisica delle particelle sta trasformando l'imaging medico

Una tecnica sperimentale nata nella fisica nucleare e delle particelle viene ora utilizzata per misurare le reazioni chimiche all’interno del corpo umano e per aiutare a diagnosticare il cancro e le malattie cardiache in quasi 50 studi clinici.Jack Millertraccia l’inaspettato aumento della polarizzazione nucleare dinamica, che sta migliorando notevolmente la qualità della risonanza magnetica

La vita, per i fisici, è una cosa strana, poiché sembra creare ordine in un universo che tende per lo più al disordine. A livello biochimico, la vita è ancora più strana: controllata e alimentata termodinamicamente da una miriade di molecole diverse di cui la maggior parte di noi probabilmente non ha mai sentito parlare. In effetti, c'è una molecola – l'acido piruvico – che è fondamentale per mantenerci in vita.

Quando brucia, l'acido piruvico rilascia anidride carbonica e acqua. Se ti alleni intensamente e i tuoi muscoli sono a corto di ossigeno, questo viene convertito anaerobicamente in acido lattico, che può provocarti punti dolorosi. Successivamente, il fegato ricicla l’acido lattico trasformandolo in zuccheri e il processo ricomincia.

Ma l’acido piruvico – noto chimicamente come acido 2-ossipropanoico (CH3CO-COOH) – è anche un indicatore di ciò che accade all’interno del tuo corpo. Corri su una rampa di scale, salta un pasto o fatti anestetizzare, e la velocità con cui l'acido piruvico viene metabolizzato (e in cosa viene convertito) cambierà. Anche la velocità con cui viene preparato o consumato varierà enormemente se sei abbastanza sfortunato da avere un infarto o sviluppare un cancro.

A quanto pare, possiamo seguire questa molecola sfruttando il momento angolare intrinseco, o "spin", dei nuclei dell'acido piruvico. Lo spin è una proprietà fisica fondamentale che può essere espressa in multipli interi o (nel caso dei protoni e dei nuclei di carbonio-13, ad esempio) multipli semiinteri di ħ (costante di Planck divisa per 2π). Utilizzando una tecnica sperimentale nota come "polarizzazione nucleare dinamica di dissoluzione" (d-DNP), è possibile creare una versione dell'acido in cui molti più nuclei di carbonio-13 esistono in uno stato di spin rispetto a un altro.

Iniettando questo acido piruvico "iperpolarizzato" in un sistema biologico, possiamo migliorare il notoriamente scarso rapporto segnale-rumore della risonanza magnetica (MRI) di ben cinque ordini di grandezza. La risonanza magnetica, che è stata di enorme beneficio in medicina, utilizza una combinazione di forti campi magnetici e onde radio per produrre immagini dettagliate dell'anatomia umana e dei processi fisiologici all'interno del corpo. Lo svantaggio è, tuttavia, che i pazienti spesso devono stare seduti per più di un’ora in una macchina per la risonanza magnetica affinché i medici possano ottenere immagini con una risoluzione sufficientemente buona per le loro esigenze.

Con il d-DNP, tuttavia, possiamo ottenere immagini MRI spettacolari che rivelano in dettaglio cosa succede all'acido piruvico nei sistemi biologici. Negli ultimi 20 anni, la tecnica è stata utilizzata per acquisire immagini di batteri, lieviti e cellule di mammiferi. Ha esaminato animali come ratti, topi, serpenti, maiali, axolotl e persino cani trattati per il cancro. Ancora più importante, circa 1000 persone in circa 20 laboratori di ricerca in tutto il mondo sono state fotografate utilizzando d-DNP con quasi 50 studi clinici in corso.

Allora come funziona questa tecnica e cosa può rivelarci sul corpo umano?

Fornendo ai medici immagini preziose della posizione dell'acqua e del grasso nel corpo, il bello della risonanza magnetica è che non è invasiva e non danneggerà il paziente, anche se sedersi all'interno del foro di un magnete non è particolarmente piacevole. Ma la risonanza magnetica può produrre molto più che semplici immagini, perché il comportamento di un nucleo in un campo magnetico applicato dipende da dove si trova il nucleo nella molecola e dalla sua posizione precisa nel corpo umano. Infatti, possiamo utilizzare le onde radio per misurare la quantità e la posizione di tali nuclei nei sistemi biologici, trasformando la risonanza magnetica in una tecnica spettroscopica.

La spettroscopia MRI è in grado di rivelare la precisa distribuzione di molecole, come l'acido lattico e l'adenosina trifosfato (ATP – la fonte di energia per l'uso e l'immagazzinamento a livello cellulare) in quasi tutti i tessuti biologici. Sfortunatamente, queste molecole sono solitamente presenti in concentrazioni così basse che le loro immagini MRI hanno una risoluzione molto inferiore rispetto alle immagini equivalenti di acqua o grasso. Quel che è peggio, la maggior parte degli esperimenti di spettroscopia MRI richiedono che il paziente rimanga fermo per ore per ottenere dati sufficienti, il che è difficile soprattutto se ha prurito al naso o ha bisogno di andare in bagno.