Des chercheurs de l'Université Rice et du Laboratoire national d'Oak Ridge ont dévoilé un modèle de relaxation par résonance magnétique basé sur la physique qui relie la dynamique à l'échelle moléculaire avec les signaux macroscopiques de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), promettant de nouvelles informations sur la manière dont les agents de contraste interagissent avec les molécules d'eau. Cette avancée ouvre la voie à une imagerie médicale plus précise et à des diagnostics plus sûrs grâce à l’IRM.
L'étude est publiée dans Le Journal de Physique Chimique.
Cette nouvelle approche, connue sous le nom de cadre des modes propres RMN, résout toutes les équations physiques qui peuvent être utilisées pour interpréter la façon dont les molécules d'eau se détendent autour des agents d'imagerie à base de métaux, une tâche que les modèles précédents se rapprochaient. Ces découvertes pourraient modifier le développement et l’application de nouveaux agents de contraste en médecine et en science des matériaux.
« En modélisant mieux la physique de la relaxation par résonance magnétique nucléaire dans les liquides, nous obtenons un outil qui non seulement prédit mais explique également le phénomène », a déclaré Walter Chapman, professeur William W. Akers de génie chimique et biomoléculaire. « C'est crucial lorsque les vies et les technologies dépendent d'une compréhension scientifique précise. »
Modélisation d'un processus moléculaire
Lors d'une IRM, des agents de contraste sont souvent utilisés pour améliorer la clarté de l'image. Ces agents, généralement basés sur un ion gadolinium enfermé dans une coque organique, modifient la façon dont les molécules d'eau proches réagissent aux champs magnétiques. Cette altération, connue sous le nom de relaxation, améliore le contraste des images tissulaires.
Jusqu'à présent, la plupart des modèles scientifiques décrivant ce processus reposaient sur des simplifications significatives, traitant des mouvements moléculaires complexes avec une fidélité limitée au comportement du système réel, ce qui limitait leur précision prédictive. Les chercheurs ont cherché à améliorer cela.
« Nos travaux précédents utilisaient des simulations détaillées pour étudier comment les molécules d'eau interagissent avec ces agents de contraste », a déclaré Dilipkumar Asthagiri, chercheur biomédical informatique principal au Centre national des sciences informatiques du Laboratoire national d'Oak Ridge.
« Dans le présent article, nous avons développé une théorie complète pour interpréter ces simulations de dynamique moléculaire et ces résultats expérimentaux précédents. La théorie, cependant, est générale et peut être utilisée pour comprendre la relaxation RMN dans les liquides de manière générale. »
Un cadre ancré dans la physique
Pour créer une approche plus efficace, l'équipe de recherche s'est tournée vers l'équation de Fokker-Planck, une équation principale qui décrit l'évolution des probabilités de positions et de vitesses moléculaires. En résolvant cette équation, ils ont pu capturer le spectre complet du mouvement et de la relaxation moléculaire.
Essentiellement, le cadre des modes propres identifie les « modes naturels » de la façon dont les molécules d'eau réagissent aux agents de contraste au niveau microscopique. Ces modes fournissent une image plus détaillée et plus précise pour interpréter le processus de relaxation que ce que les modèles précédents pouvaient offrir.
« Le concept est similaire à la façon dont un accord musical est constitué de nombreuses notes », a déclaré Thiago Pinheiro, premier auteur de l'étude, titulaire d'un doctorat Rice en génie chimique et biomoléculaire et chercheur postdoctoral à la division des sciences chimiques du laboratoire national d'Oak Ridge.
« Les modèles précédents ne captaient qu'une ou deux notes, tandis que le nôtre capte toute l'harmonie. »
Ce cadre reproduit non seulement les mesures expérimentales aux fréquences IRM cliniques avec une grande précision, mais il démontre également que les modèles simplifiés largement utilisés sont des exemples spécifiques d’une théorie plus large et plus complète.
Des impacts plus larges au-delà de l’imagerie
Les implications de cette recherche s’étendent au-delà de l’imagerie médicale. La relaxation RMN étant utilisée pour étudier le comportement des liquides dans diverses applications scientifiques et industrielles, le cadre pourrait également être appliqué dans des domaines tels que la conception de batteries et l’écoulement des fluides souterrains.
« Ce type de modélisation détaillée peut nous aider à comprendre comment les fluides se comportent dans des espaces confinés comme des roches poreuses ou des cellules biologiques », a déclaré Philip Singer, professeur adjoint de recherche en génie chimique et biomoléculaire à Rice.
« C'est un outil fondamental qui relie la dynamique à l'échelle moléculaire aux effets observables. »
L'équipe de recherche a rendu son code disponible en open source pour encourager une adoption plus large et un développement ultérieur. Les co-auteurs de l'étude incluent également Betul Orcan-Ekmekci du département de mathématiques de Rice, qui a apporté des informations significatives sur la modélisation mathématique.
