Sensores atómicos revelan dinámicas ocultas en la polarización molecular

La resonancia magnética ha sido durante mucho tiempo un pilar de la medicina moderna, proporcionando imágenes altamente detalladas de los órganos y tejidos internos. Las máquinas de resonancia magnética, esos grandes imanes en forma de tubo comúnmente encontrados en los hospitales, utilizan imanes potentes para cartografiar las densidades de las moléculas de agua y grasa dentro del cuerpo. Además de estas moléculas, también son cartografiables otras sustancias como los metabolitos, aunque sus concentraciones a menudo son demasiado bajas para producir imágenes claras.

A fin de superar esta limitación, se emplea una técnica conocida como hiperpolarización. Así se mejora la señal de resonancia magnética de estas sustancias, haciéndolas más visibles durante los escaneos de resonancia magnética.

La hiperpolarización implica preparar fuera del cuerpo una sustancia en un estado donde su magnetización (esencial para obtener imágenes de resonancia magnética) esté cerca de ser máxima. Este proceso puede aumentar la señal miles de veces en comparación con lo que ocurre en su estado natural. Una vez hiperpolarizada, la sustancia se inyecta en el paciente y se transporta al órgano o tejido objetivo. Sin embargo, antes de que esto ocurra, es crucial confirmar que la sustancia está adecuadamente hiperpolarizada a través de rigurosos procesos de control de calidad.

Las técnicas de control de calidad actuales se enfrentan a dos desafíos importantes. Primero, estos métodos a menudo reducen la magnetización de la muestra durante el proceso de lectura, lo que disminuye su capacidad para mejorar las imágenes de la resonancia magnética. Segundo, el tiempo requerido para la medición puede ser largo. Durante este periodo la magnetización de la sustancia decae de manera natural, limitando la posibilidad de realizar mediciones consecutivas. Esto resulta en la falta de datos críticos que podrían ayudar a maximizar la eficiencia de la hiperpolarización. Además, una vez que la muestra está hiperpolarizada, existe el riesgo de que pierda su magnetización durante el transporte a la máquina de resonancia magnética. Las técnicas de control de calidad tradicionales, debido a su naturaleza lenta, pueden no ser capaces de detectar estas pérdidas a lo largo del trayecto.

Ahora, una colaboración de investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (James Eills (actualmente en el Centro de investigación Jülich de Alemania) e Irene Marco Rius) y del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Barcelona (Morgan W. Mitchell y Michael C. D. Tayler), ha demostrado cómo las técnicas de sensores atómicos superan las limitaciones del muestreo convencional al medir la magnetización de materiales hiperpolarizados.

En particular, el equipo utilizó magnetómetros atómicos bombeados ópticamente (OPM, por sus siglas en inglés), cuyos principios de funcionamiento difieren fundamentalmente de los sensores tradicionales, posibilitando la detección en tiempo real de los campos producidos por las moléculas hiperpolarizadas. La naturaleza de los OPMs permitió a estos investigadores realizar observaciones continuas, de alta resolución y no destructivas durante todo el experimento, incluyendo el proceso mismo de hiperpolarización.