В новом исследовании, которое может привести к улучшению сканирования, команда под руководством Райса углубляется с помощью молекулярного моделирования, которое, в отличие от более ранних моделей, не делает абсолютно никаких предположений об основных механизмах, действующих при использовании гадолиниевых агентов для выделения мягких тканей.

Исследование, проведенное инженером-химиком и биомолекулярным инженером Райсом Филипом Сингером, бывшим доцентом Дилипом Астагири, ныне работающим в Национальной лаборатории Ок-Риджа, и аспирантом Тьяго Пиньейру душ Сантушем, опубликовано в журнале Physical Chemistry Химическая физика.

В нем используются сложные модели, впервые разработанные в Rice для исследований нефти и газа, чтобы окончательно проанализировать, как ядра водорода при температуре тела "расслабляются" при ядерном магнитном резонансе (ЯМР), технологии, используемой при магнитно-резонансной томографии, известной как МРТ.

Врачи используют МРТ, чтобы "увидеть" состояние мягких тканей, включая мозг, у пациента, вызывая магнитные моменты в ядрах водорода молекул воды для выравнивания с магнитным полем, процессом, которым можно манипулировать, когда поблизости находятся агенты гадолиния. Устройство обнаруживает яркие пятна, когда выровненные ядра возвращаются к тепловому равновесию после возбуждения. Чем быстрее они расслабляются, тем ярче контраст.

Молекулы гадолиния от природы парамагнитны и чувствительны к магнитному возбуждению. Поскольку они токсичны, они обычно хелатируются в составе контрастного вещества. "Хелат в основном удерживает гадолиний и защищает ваше тело от прямого взаимодействия с металлом", - сказал Пиньейру душ Сантуш. "Мы спрашиваем, как именно ведут себя эти молекулы?"

Хотя контрастные вещества на основе гадолиния тоннами вводятся пациентам каждый год, как они действуют на молекулярном уровне, никогда до конца не изучалось.

"Возвращаясь на 40 лет назад, в области ЯМР люди предполагали, что жидкая вода - это просто набор движущихся шариков, и диполи в шариках случайным образом переориентируются", - сказал Астагири.

Но такие предположения являются ограничивающими, сказал он. "Что Тьяго делает со своим явным моделированием, так это показывает, как развивается водная сеть во времени", - сказал Астагири. "Это сложные, требующие больших вычислительных затрат вычисления".

Моделирование Rice использует высокоточные поляризуемые силовые поля для детального изучения явления, и это потребовало интенсивных вычислений с ускорением GPU.

Команда проверила свой подход к молекулярной динамике на экспериментальных данных соавтора Стивена Гринбаума, профессора физики в Хантер-колледже Городского университета Нью-Йорка, чья лаборатория специализируется на ЯМР-измерениях процессов ионного и молекулярного переноса в конденсированных средах.

Моделирование выявило явные различия в том, как внутренняя и внешняя оболочки молекул воды вокруг гадолиния реагируют на тепловое возбуждение. "Внутренняя оболочка - это группа из восьми или девяти молекул воды вокруг гадолиния", - сказал Пиньейру душ Сантуш. "Они прочно прикреплены к гадолинию и остаются там в течение длительного времени, нескольких наносекунд. Внешняя оболочка охватывает все оставшиеся молекулы воды."

Исследователи обнаружили, что, хотя структура внутренней оболочки не меняется между 41 и 98,6 градусами по Фаренгейту, ее динамика очень чувствительна к тепловым воздействиям. Они также обнаружили, что температура сильно влияет на самодиффузионную способность молекул в моделировании гадолиний-вода таким образом, что это влияет на релаксацию внешней оболочки.

"В целом, эти открытия открывают новый способ выяснить, как контрастные вещества реагируют на состояние человеческого организма во время МРТ-сканирования", - сказал Сингер. "Лучше понимая это, можно разработать новые, более безопасные и чувствительные контрастные вещества, а также использовать моделирование для улучшения интерпретации данных МРТ".

Он сказал, что в будущих исследованиях будут изучены хелатированные комплексы гадолиния в жидкостях, которые более репрезентативны для клеточных интерьеров.

Соавторами статьи являются выпускник Райс Арджун Валия Парамбату, ныне постдокторант Университета Делавэра; Карла Фраенца и Кейси Уолш из Колледжа Хантера; и Уолтер Чепмен, профессор химической и биомолекулярной инженерии Уильяма У. Эйкерса в Райс.

Фонд Роберта А. Уэлча (C-1241), Институт Кена Кеннеди, Фонд творческих предприятий Университета Райса и Консорциум Университета Райса по процессам в пористых средах поддержали исследование. Исследования в Национальной лаборатории Ок-Риджа поддерживаются в соответствии с контрактом DE-AC05-00OR22725 Министерства энергетики США с UT-Battelle LLC.