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Você pode manter seus melhores palpites. Engenheiros da Escola de Engenharia George R. Brown da Rice University estão começando a entender exatamente o que acontece quando os médicos injetam agentes de contraste em seu corpo para uma ressonância magnética.
Em um novo estudo que pode levar a melhores varreduras, uma equipe liderada por Rice se aprofunda por meio de simulações moleculares que, ao contrário dos modelos anteriores, não fazem absolutamente nenhuma suposição sobre os mecanismos básicos em jogo quando agentes de gadolínio são usados para destacar tecidos moles.
O estudo liderado pelo engenheiro químico e biomolecular de Rice, Philip Singer, pelo ex-professor de pesquisa associado Dilip Asthagiri, agora do Oak Ridge National Laboratory, e pelo estudante de pós-graduação Thiago Pinheiro dos Santos aparece em Physical Chemistry Chemical Physics.
Ele emprega os modelos sofisticados desenvolvidos pela primeira vez em Rice para estudos de petróleo e gás para analisar conclusivamente como os núcleos de hidrogênio nas temperaturas corporais “relaxam” sob ressonância magnética nuclear (NMR), a tecnologia usada pela ressonância magnética, também conhecida como MRI.
Os médicos usam a ressonância magnética para “ver” o estado dos tecidos moles, incluindo o cérebro, em um paciente, induzindo momentos magnéticos nos núcleos de hidrogênio das moléculas de água para alinhá-los com o campo magnético, um processo que pode ser manipulado quando agentes de gadolínio estão no proximidade. O dispositivo detecta pontos brilhantes quando os núcleos alinhados relaxam de volta ao equilíbrio térmico após uma excitação. Quanto mais rápido eles relaxam, mais brilhante é o contraste.
As moléculas de gadolínio são naturalmente paramagnéticas e sensíveis à excitação magnética. Por serem tóxicos, geralmente são quelados quando fazem parte de um agente de contraste. “Um quelato basicamente abraça o gadolínio e protege seu corpo de interagir diretamente com o metal”, disse Pinheiro dos Santos. “Estamos perguntando, exatamente como essas moléculas se comportam?”
Embora agentes de contraste à base de gadolínio sejam injetados em toneladas em pacientes a cada ano, como eles funcionam em nível molecular nunca foi totalmente compreendido.
“Voltando 40 anos, no campo de NMR, as pessoas assumiram que a água líquida é apenas uma coleção de bolinhas se movendo, e os dipolos nas bolinhas se reorientam aleatoriamente”, disse Asthagiri.
Mas tais suposições são limitantes, disse ele. “O que Thiago faz com sua simulação explícita é mostrar como a rede de água evolui no tempo”, disse Asthagiri. “Estes são cálculos complicados e computacionalmente intensivos.”
As simulações de Rice fazem uso de campos de força altamente refinados e polarizáveis para estudar o fenômeno em detalhes, e isso exigiu computação acelerada por GPU intensiva.
A equipe validou sua abordagem de dinâmica molecular com dados experimentais do coautor Steven Greenbaum, professor de física no Hunter College da City University de Nova York, cujo laboratório é especializado em medições de RMN de processos de transporte iônico e molecular em matéria condensada.
As simulações revelaram diferenças distintas em como as camadas interna e externa das moléculas de água ao redor do gadolínio respondem à excitação térmica. “A casca interna é o grupo de oito ou nove moléculas de água ao redor do gadolínio”, disse Pinheiro dos Santos. “Eles estão fortemente ligados ao gadolínio e permanecem lá por um longo tempo, alguns nanossegundos. A camada externa engloba todas as moléculas de água restantes.”
Os pesquisadores descobriram que, embora a estrutura da casca interna não mude entre 41 e 98,6 graus Fahrenheit, sua dinâmica é muito suscetível a efeitos térmicos. Eles também descobriram que a temperatura afeta muito a autodifusão das moléculas nas simulações de gadolínio-água de uma forma que afeta o relaxamento da camada externa.
“No geral, essas descobertas abrem uma nova maneira de elucidar como os agentes de contraste respondem às condições do corpo humano durante uma ressonância magnética”, disse Singer. “Ao entender melhor isso, pode-se desenvolver agentes de contraste novos, mais seguros e sensíveis, bem como usar simulações para aprimorar a interpretação dos dados de ressonância magnética”.
Ele disse que estudos futuros examinarão os complexos de gadolínio quelados em fluidos que são mais representativos dos interiores celulares.
Os co-autores do artigo são o ex-aluno de Rice, Arjun Valiya Parambathu, agora pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Delaware; Carla Fraenza e Casey Walsh do Hunter College; e Walter Chapman, professor William W. Akers de Engenharia Química e Biomolecular da Rice.
A Fundação Robert A. Welch (C-1241), o Ken Kennedy Institute, o Rice University Creative Ventures Fund e o Rice University Consortium on Processes in Porous Media apoiaram a pesquisa. A pesquisa no Oak Ridge National Laboratory é apoiada pelo contrato DE-AC05-00OR22725 do Departamento de Energia dos EUA para a UT-Battelle LLC.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade Rice. Original escrito por Mike Williams. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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