Polarização nuclear dinâmica: como uma técnica da física de partículas está transformando a imagem médica

Uma técnica experimental que começou a vida na física nuclear e de partículas agora está sendo usada para medir reações químicas dentro do corpo humano e para ajudar a diagnosticar câncer e doenças cardíacas em quase 50 ensaios clínicos.Jack Millermapeia o aumento inesperado da polarização nuclear dinâmica, que está melhorando muito a qualidade da ressonância magnética

A vida, para os físicos, é uma coisa estranha, parecendo criar ordem em um universo que tende principalmente à desordem. Em um nível bioquímico, a vida é ainda mais estranha – controlada e alimentada termodinamicamente por uma miríade de moléculas diferentes das quais a maioria de nós provavelmente nunca ouviu falar. Na verdade, há uma molécula – o ácido pirúvico – que é crucial para nos manter vivos.

Quando queimado, o ácido pirúvico libera dióxido de carbono e água. Se você está se exercitando muito e seus músculos estão ficando sem oxigênio, ele é convertido anaerobicamente em ácido láctico, o que pode causar pontos dolorosos. Mais tarde, seu fígado recicla o ácido lático de volta em açúcares e o processo começa de novo.

Mas o ácido pirúvico – conhecido quimicamente como ácido 2-oxipropanóico (CH3CO-COOH) – também é um marcador do que está acontecendo dentro do seu corpo. Suba um lance de escadas, pule uma refeição ou fique anestesiado, e a taxa na qual o ácido pirúvico é metabolizado (e no que é convertido) mudará. A velocidade com que é feito ou consumido também varia enormemente se você tiver a infelicidade de ter um ataque cardíaco ou desenvolver câncer.

Acontece que podemos rastrear essa molécula explorando o momento angular intrínseco, ou "spin", dos núcleos do ácido pirúvico. O spin é uma propriedade física fundamental que vem em números inteiros ou (no caso de prótons e núcleos de carbono-13, por exemplo) múltiplos semi-inteiros de ħ (constante de Planck dividida por 2π). Usando uma técnica experimental conhecida como "polarização nuclear dinâmica de dissolução" (d-DNP), é possível criar uma versão do ácido em que muito mais núcleos de carbono-13 existem em um estado de rotação do que em outro.

Ao injetar esse ácido pirúvico "hiperpolarizado" em um sistema biológico, podemos melhorar a notoriamente pobre relação sinal-ruído da ressonância magnética (MRI) em impressionantes cinco ordens de magnitude. A ressonância magnética, que tem sido de grande benefício na medicina, usa uma mistura de fortes campos magnéticos e ondas de rádio para produzir imagens detalhadas da anatomia humana e do processo fisiológico dentro do corpo. Sua desvantagem é, no entanto, que os pacientes geralmente ficam sentados por mais de uma hora em uma máquina de ressonância magnética para que os médicos obtenham imagens com resolução boa o suficiente para suas necessidades.

Com o d-DNP, no entanto, podemos obter imagens espetaculares de ressonância magnética que revelam em detalhes o que acontece com o ácido pirúvico em sistemas biológicos. Nos últimos 20 anos, a técnica tem sido usada para imagens de bactérias, leveduras e células de mamíferos. Ele examinou animais como ratos, camundongos, cobras, porcos, axolotes – e até cães em tratamento de câncer. Mais importante ainda, cerca de 1.000 pessoas em cerca de 20 laboratórios de pesquisa em todo o mundo foram fotografadas usando d-DNP com quase 50 ensaios clínicos em andamento.

Então, como funciona essa técnica e o que ela pode nos revelar sobre o corpo humano?

Fornecendo aos médicos imagens valiosas da localização da água e da gordura no corpo, a beleza da ressonância magnética é que ela não é invasiva e não prejudica o paciente – mesmo que sentar dentro do orifício de um ímã não seja particularmente agradável. Mas a ressonância magnética pode produzir muito mais do que apenas imagens bonitas porque o comportamento de um núcleo em um campo magnético aplicado depende de onde o núcleo está em uma molécula e sua localização precisa no corpo humano. De fato, podemos usar ondas de rádio para medir a quantidade e a localização desses núcleos em sistemas biológicos, transformando a ressonância magnética em uma técnica espectroscópica.

A espectroscopia de ressonância magnética é capaz de revelar com precisão a distribuição de moléculas, como o ácido lático e o trifosfato de adenosina (ATP – a fonte de energia para uso e armazenamento no nível celular) em quase todos os tecidos biológicos. Infelizmente, essas moléculas geralmente estão presentes em uma concentração tão baixa que as imagens de ressonância magnética delas têm uma resolução muito menor do que imagens equivalentes de água ou gordura. Pior ainda, a maioria dos experimentos de espectroscopia de ressonância magnética exige que o paciente fique parado por horas para obter dados decentes o suficiente, o que é difícil, especialmente se ele estiver com coceira no nariz ou precisar ir ao banheiro.