La Universidad Hebrea y Element Six desarrollan sensores cuánticos que mejoran un 50% la resolución de resonancias magnéticas para diagnósticos precisos.
Avances en sensores cuánticos para resonancia magnética
En 2023, un equipo de la Universidad Hebrea de Jerusalén, en colaboración con la empresa británica Element Six, desarrolló sensores cuánticos basados en defectos de nitrógeno en diamantes que incrementan la resolución de las imágenes de resonancia magnética en un 50%. Estos sensores, probados en el Centro Médico Hadassah, detectan campos magnéticos a nivel de nanoescala, según un estudio publicado en Nature Communications. La tecnología permite visualizar estructuras cerebrales con un detalle sin precedentes, lo que facilita diagnósticos más precisos de enfermedades neurodegenerativas, como el Alzheimer y el Parkinson, en pacientes mayores.
Los sensores aprovechan los centros de vacantes de nitrógeno (NV) en diamantes sintéticos, defectos cristalinos donde un átomo de nitrógeno reemplaza a un átomo de carbono, dejando una posición vacante. Estos centros NV actúan como sensores ultraprecisos capaces de detectar variaciones mínimas en campos magnéticos, lo que mejora la sensibilidad de la resonancia magnética nuclear (RMN). La investigación, liderada por el profesor Aviv Mezer del Centro Edmond y Lily Safra para las Ciencias del Cerebro, transformó las resonancias magnéticas en herramientas que registran cambios en la composición biológica del tejido cerebral, según el artículo de Nature Communications.
El Centro Médico Hadassah implementó estos sensores en ensayos clínicos con pacientes de edad avanzada. Los resultados muestran que las imágenes obtenidas permiten diferenciar entre tejido cerebral sano y enfermo sin necesidad de procedimientos invasivos, como biopsias. “Nuestro modelo cuantitativo de resonancia magnética proporciona información molecular sobre el tejido cerebral, lo que podría permitir a los médicos comparar escáneres cerebrales tomados con el tiempo del mismo paciente”, explicó Mezer en el estudio. Esta capacidad es crucial para detectar el inicio de enfermedades neurodegenerativas antes de que los síntomas sean evidentes.
La colaboración con Element Six, líder en la producción de diamantes sintéticos, aseguró la calidad de los diamantes utilizados, con un nivel de impurezas ultrabajo. Los diamantes de carbono-12 isotópicamente puros maximizan la coherencia de los estados cuánticos de los centros NV, lo que prolonga el tiempo de medición y mejora la precisión de los sensores. Este avance, financiado parcialmente por el programa Horizonte 2020 de la Unión Europea, marca un hito en la aplicación de tecnologías cuánticas en la medicina.
Datos clave sobre sensores cuánticos en imágenes médicas
- Los sensores cuánticos basados en defectos NV en diamantes mejoran la resolución de RMN en un 50% frente a técnicas convencionales.
- La tecnología detecta campos magnéticos a nivel de nanoescala, permitiendo visualizar estructuras cerebrales con gran detalle.
- Ensayos en el Centro Médico Hadassah confirman su eficacia para diagnosticar Alzheimer y Parkinson en etapas tempranas.
- El proyecto recibió apoyo del programa Horizonte 2020 y colaboración de Element Six para diamantes sintéticos.
- Publicación en Nature Communications valida la capacidad de los sensores para análisis molecular no invasivo.
Impacto en el diagnóstico de enfermedades neurodegenerativas
Los sensores cuánticos desarrollados por la Universidad Hebrea representan un avance significativo en la detección temprana de enfermedades neurodegenerativas. Tradicionalmente, el diagnóstico de condiciones como el Alzheimer requiere análisis post-mortem o procedimientos invasivos, como biopsias cerebrales. La nueva tecnología permite a los médicos identificar cambios moleculares en el tejido cerebral a través de resonancias magnéticas no invasivas, lo que acelera el inicio de tratamientos y mejora la calidad de vida de los pacientes.
El estudio de Nature Communications detalla cómo los sensores NV detectan variaciones en los niveles de lípidos y proteínas en el cerebro, marcadores clave del envejecimiento normal y de enfermedades neurodegenerativas. Esta capacidad distingue entre los efectos del envejecimiento y el desarrollo de patologías, un desafío para los métodos de diagnóstico convencionales. “Sabemos que hay una gran diferencia en las macromoléculas en diferentes enfermedades cuando observamos el cerebro post-mortem”, afirmó Mezer en una entrevista con The Times of Israel.
En los ensayos clínicos del Centro Médico Hadassah, los sensores demostraron su capacidad para generar imágenes de alta resolución de la materia gris, revelando diferencias en la composición molecular entre pacientes jóvenes y mayores. Estos datos permiten a los neurólogos rastrear la progresión de enfermedades en el tiempo, comparando escáneres cerebrales de un mismo paciente. La tecnología también tiene aplicaciones potenciales en el diagnóstico de cáncer cerebral, según los investigadores.
El proyecto se alinea con los esfuerzos globales para mejorar las tecnologías de imagen médica. La Universidad Hebrea colabora con instituciones como la Universidad Técnica de Múnich y el Technion de Israel en el proyecto QUENCH, financiado por la Comisión Europea. Este consorcio busca desarrollar instrumentos de RMN de mesa más compactos y económicos, eliminando la necesidad de imanes superconductores voluminosos.
Contexto y desarrollo de tecnologías cuánticas
El uso de defectos de nitrógeno en diamantes para sensores cuánticos no es un concepto nuevo, pero su aplicación en imágenes médicas marca un avance reciente. Desde la década de 1960, los centros NV se estudian mediante resonancia paramagnética electrónica, según la Wikipedia. Su capacidad para operar a temperatura ambiente y su sensibilidad a campos magnéticos, eléctricos y térmicos los convierten en candidatos ideales para aplicaciones biomédicas.
En 2008, investigadores del MIT y la Universidad de Harvard demostraron que los centros NV podían usarse como sensores magnéticos a nanoescala. Desde entonces, proyectos como DIADEMS, financiado por la Unión Europea, han explorado su uso en espintrónica y resonancia magnética. La colaboración entre la Universidad Hebrea y Element Six builds upon these foundations, optimizing diamond purity and sensor design for medical applications.
Otros proyectos, como MetaboliQS, liderado por el Instituto Fraunhofer en Alemania, buscan mejorar la sensibilidad de las resonancias magnéticas mediante hiperpolarización, un proceso que amplifica las señales de biomarcadores. Sin embargo, el enfoque de la Universidad Hebrea destaca por su capacidad para operar sin enfriamiento extremo, lo que reduce costos y facilita su adopción en hospitales.
El desarrollo de estos sensores también tiene implicaciones económicas. Empresas como NVision y QNAMI, surgidas de proyectos europeos, comercializan tecnologías basadas en centros NV. En Israel, el Technion y el Centro Médico Hadassah planean expandir los ensayos clínicos para incluir otras patologías, como tumores cerebrales, apoyando la posición de Israel como líder en innovación médica.