MRI, בקטנה

סריקות ה-MRI המוכרות לכולנו מבתי-החולים הן בעלות רזולוציה של כעשירית המילימטר, כושר הפרדה שמאפשר ״לצלם״ פרוסות דקות ביותר של פנים הגוף, מכף רגל ועד ראש, ולאבחן מחלות רבות. ואולם, כושר הפרדה זה כלל אינו מספיק למדענים המבקשים ללמוד על המבנה של מולקולות בודדות. טכנולוגיה חדשה שפותחה במעבדתו של ד"ר עמית פינקלר ממכון ויצמן למדע, בהובלת הדוקטורנטית ליאורה שיין לובומירסקי, מאפשרת לבצע סריקת MRI ברזולוציה של מיליארדית המטר ואף גבוהה מכך. התגלית שהתפרסמה בכתב-העת המדעי Communications Physics מזניקה קדימה את המרוץ לפיתוח מכשיר nano-MRI שיוכל להבחין בכל החלקיקים הקטנים המרכיבים יחד מולקולה אחת ולייצר תמונות מפורטות מאי פעם של מולקולות בודדות שיוכלו לשמש בתעשיות החומרים והתרופות.

כדי לצלם את גוף האדם בסדרת תמונות עוקבות, מפעיל מכשיר ה-MRI שדה מגנטי המשתנה באופן הדרגתי (גרדיאנטי) לאורך הנבדק. פעולת ה-MRI מבוססת על תכונה מגנטית של החלקיקים היסודיים המרכיבים את כל האטומים בטבע המכונה ״ספין״. נהוג לחשוב עליה כסיבוב סביב ציר, בדומה לסביבון. הספין "מסתובב" בתדר – מספר ״סיבובים״ לשנייה - שמכונה תדר התהודה והוא מה שמכשיר ה-MRI מודד. תדר התהודה תלוי בסוג החלקיק שנמדד ובגודל השדה המגנטי שסביבו. כאשר השדה המגנטי משתנה לאורך הנבדק, גם תדר התהודה משתנה וכך מכשיר ה-MRI מבחין בין פרוסות הגוף. ככל שהשינוי בשדה המגנטי משמעותי יותר, ניתן להפריד את הגוף לפרוסות דקות יותר. אך האם ניתן להשתמש בשדה מגנטי גרדיאנטי גם כדי להפריד ולהבחין בחלקיקים המרכיבים מולקולה בודדת?

""מכשיר nanoMRI בשיטה שהצענו יוכל לפעול בטמפרטורת החדר וכך לבדוק את המבנה של חומרים באותם התנאים שבהם הם נדרשים לפעול הלכה למעשה"

במעבדתו של ד"ר פינקלר במחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון פיתחו שיטה לסריקת MRI המבוססת על יהלום סינתטי. בתוך היהלום ישנו פגם קטנטן בגודל אטום יחיד הקרוי "מרכז חסר חנקן" (nitrogen-vacancy center), והוא משמש כחיישן אשר משנה את עוצמת האור האדום שהוא פולט, כתלות בספין של החלקיקים סביבו. יתרונו של המרכז חסר החנקן שהוא רגיש לאותות חלשים ביותר, כמו למשל חלקיק בודד המצוי במרחק של 50 מיליארדיות המטר ממנו. חסרונו, לעומת זאת, היה עד כה בכך שכושר ההפרדה שלו נמוך: כשכמה חלקיקים נמצאים בסביבתו הוא אינו מבחין ביניהם, והוא משנה את האור הנפלט בהתאם לתכונות הממוצעות של כל החלקיקים בטווח. לפיכך, לא התאפשר לתעד באמצעות חיישן זה אטומים בודדים המרכיבים מולקולה.

במחקר החדש, פיתח צוות החוקרים מכשיר חדש אשר מייצר שדה מגנטי גרדיאנטי. המכשיר מבוסס על חוד מקוורץ שמצופה במוליך מזהב בצורת האות חֵית. כשמזרימים זרם חשמלי בחוט נוצר סביבו שדה מגנטי משתנה: סמוך לפינות של החית השינויים בשדה המגנטי הם החזקים ביותר והם נחלשים בהדרגה ככל שמתרחקים מהן. "השינויים בשדה המגנטי גורמים לשינויים בתדר התהודה של אטומים כתלות במיקום שלהם במולקולה", מסבירה לובומירסקי. "אם קודם לכן החיישן לא היה מסוגל להפריד ולמקם כמה אטומי מימן הנמצאים במיקומים שונים סביבו, כעת בכל אזור יהיה לחלקיק מימן תדר תהודה שונה. בהמשך, ניתן יהיה להרכיב את התמונות החושפות את המיקומים השונים לכדי תמונה שלמה של המולקולה".

אל תסתכל בשדה, אלא בשינוי שיש בו

"ההבנה שהובילה לפיתוח החדש היא שאפשר להגיע לגרדיאנט חזק מאוד גם אם גודלו המוחלט של השדה המגנטי נותר קטן", מסביר ד"ר פינקלר. "אף שהשדה שלנו קטן משמעותית משל מכשיר MRI מסחרי, הגרדיאנט שלו – כלומר מידת השינוי בו כתלות במרחק מהמכשיר – גדול הרבה יותר. כך הצלחנו להגיע לרזולוציה של 1 מיליארדית המטר ואנו סבורים כי המכשיר מאפשר רזולוציה גבוהה עוד יותר, כך שיש לו את כושר ההפרדה הנדרש לסריקת המבנה של מולקולה בודדת". 

התקדמות נוספת שמציג המכשיר החדש ביחס למערכות חישה ביהלום קודמות, היא היכולת להפעיל ולכבות את השדה המגנטי לפי דרישה ותוך פרק זמן קצר של 0.6 מיליונית השנייה. תכונה זו מתאפשרת שכן השדה לא נוצר באמצעות מגנט אלא על-ידי זרם חשמלי שניתן להפעילו ולעוצרו לסירוגין. "האפשרות לכבות ולהדליק את השדה המגנטי במהירות מבטיחה פחות הפרעות וסריקה מדויקת יותר", מתאר ד"ר פינקלר. 

ליכולת לייצר תמונות חדות של מולקולות יש חשיבות רבה בתעשיות החומרים והתרופות. כבר כיום, כל תרופה שמיוצרת נסרקת באמצעות בדיקות תהודה מגנטיות שתפקידן לוודא כי התרופה מכילה רק את החומר הרצוי במבנה ובסידור המולקולרי הנכון שאינו מזיק לאדם. עם זאת הבדיקות הקיימות מצריכות כמות גדולה של דגימה – דבר שקשה להשיג בייחוד בשלבי הפיתוח – ובנוסף לא ניתן לבצע אותן בטמפרטורת החדר והרזולוציה שלהן אינה גבוהה במיוחד. "מכשיר nanoMRI בשיטה שהצענו יוכל לפעול בטמפרטורת החדר וכך לבדוק את המבנה של חומרים באותם התנאים שבהם הם נדרשים לפעול הלכה למעשה", מדגיש ד"ר פינקלר. "מכשיר זה ייתן גם תמונה מפורטת יותר של מבנה המולקולה ויאפשר לבדוק דגימה קטנה וזולה משמעותית המכילה מולקולות בודדות של חומר. בנוסף, מכשיר כזה יוכל אולי לחשוף מדוע חומרים מתנהגים לעתים בעולם האמיתי באופן שונה מכפי שציפו מהם על בסיס בדיקות מעבדה וכן האם יש הבדלים לא ידועים בין חומרים הנראים לכאורה זהים". 

במחקר השתתפו גם ד"ר ירדן מזור מאוניברסיטת תל אביב; ד"ר ריינר שטוהר וד"ר אנדריי דניסנקו מאוניברסיטת שטוטגרט בגרמניה.