موضوع مقاله: کاربردهای تصویربرداری مولکولی در ام‌آرآی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # کاربردهای تصویربرداری مولکولی در ام‌آرآی | مقدمه: تصویربرداری مولکولی تصویربرداری مولکولی زمینه‌ای نسبتاً جدید و هیجان انگیز در تصویربرداری تشخیصی است که می‌توان آن را به صورت شناسایی و اندازه‌گیری In vivo فرآیندهای بیولوژیکی در سطح سلولی و مولکولی در موجودات زنده توصیف کرد. | ## بخش 1: کاربردهای تصویربرداری مولکولی در ام‌آرآی | مفهوم و کاربرد این روش تصویربرداری چند دهه است که مطرح شده و شروع آن با تصویربرداری هسته‌ای هدفمند بوده‌است. در تصویربرداری مولکولی از پروب‌هایی به نام بیومارکر استفاده می‌شود که امکان شناسایی بخش خاصی را فراهم می‌سازند. این مواد با محیط اطراف خود واکنش می‌دهند و از اثرات این واکنش در تصویرسازی استفاده می‌شود. از آنجا که تصویربرداری مولکولی امکان مشاهده ساختارها و فرآیندها را در سطح مولکولی فراهم می‌کند و پتانسیل تبدیل شدن به نوعی از تصویربرداری تشخیصی از طریق ایجاد امکان توصیف و شناسایی فرآیندهای بیماری با جزئیات به مراتب بیشتر را دارد، امروزه زمینه‌های تحقیقاتی بسیاری در ارتباط با تصویربرداری مولکولی به وجود آمده‌است. بسیاری از پژوهش‌ها به دنبال یافتن راهی برای تشخیص زود هنگام بیماری‌ها با توجه به آرایش مولکول‌ها پیش از بروز نشانه‌های معمول بیماری هستند. این نوع از تصویربرداری در درجه اول باید از قدرت تفکیک مکانی بالا برخوردار باشد که مکان‌یابی مناسب در بدن ممکن شود و در درجه دوم از حساسیت بالا برخوردار باشد که بتواند نحوه توزیع مولکول‌ها و تمرکز آن‌ها را به خوبی گزارش کند. کاربردهای تصویربرداری مولکولی امروزه استفاده از تصویربرداری مولکولی محدود به کاربردهای پیش کلینیکی و تحقیقاتی نیست بلکه روز به روز بر کاربرد آن در کارهای کلینیکی و درمانی افزوده می‌شود. در این زمینه می‌توان به کاربرد تصویربرداری مولکولی در بیماری‌های قلبی و عروقی، سرطان و اختلالات نورولوژیک اشاره کرد. در مورد بیماریهای قلبی عروقی، تصویربرداری مولکولی امکان مطالعه دقیق و شخص به شخص بیماری و مدیریت آن را در مشکلاتی نظیر گرفتگی عروق، آریتمی، پس زدن عضو پیوندی، تشکیل لخته در عروق و ایست قلبی، فراهم می‌آورد. در ارتباط با سرطان، تصویربرداری مولکولی در کنار امکان مکان‌یابی دقیق تومور، می‌تواند ویژگی‌هایی از آن را مشخص سازد و سیر پیشرفت بیماری و متاستاز آن به نواحی مختلف بدن را بیان کند. در این بیماری، تصویربرداری مولکولی نقش مهمی در درمان و ارزیابی پاسخ بیمار به درمان ایفا می‌کند. به عنوان مثال از FDG به عنوان یک پروب مولکولی برای تشخیص سرطان لنف استفاده شده‌است. در اختلالات نورولوژیک، تصویربرداری مولکولی نقش مهمی در تشخیص، طبقه‌بندی و ارزیابی درمان ایفا می‌کند. استفاده از این نوع تصویربرداری در کاربردهای گوناگون این نوع اختلالات، از مشکلات حرکتی در بیماری پارکینسون تا مشکلات روانی در آلزایمر رواج یافته‌است. از دیگر کاربردهای تصویربرداری مولکولی استفاده از آن در تشخیص بافت‌هایی است که دچار کمبود اکسیژن شده‌اند. این مشکل در هنگام سکته و دیگر مشکلات قلبی یا به واسطه برخی تومورها اتفاق می‌افتد. اما متأسفانه تومور با تغییراتی که در ساختار سلول‌ها ایجاد می‌کند، می‌تواند خود را با این کمبود اکسیژن وفق دهد. این تغییرات مقاومت تومور در مقابل شیمی ‌درمانی را افزایش می‌دهد و بنابراین روند درمانی مناسب قابل انجام نخواهد بود. در دهه اخیر با استفاده از تصویربرداری مولکولی کارهای زیادی در زمینه تشخیص و درمان این مشکل صورت گرفته‌است. مدالیته‌های مورد استفاده در تصویربرداری مولکولی در تصویربرداری مولکولی از بیشتر مدالیته‌های موجود در تصویربرداری پزشکی استفاده می‌شود. در سال‌های اخیر، اولتراسوند و تکنیک‌های نوری نیز در این زمینه به کار گرفته شده‌اند. برای استفاده از این مدالیته‌ها در ابعاد کوچک و رسیدن به ویژگی‌های مطلوب، نیاز به بهینه‌سازی و تلفیق آن‌ها وجود دارد. در حقیقت معمولاً تصویربرداری مولکولی یک تصویربرداری چند مدالیته است تا بتواند با استفاده از تکنیک‌های موجود رزولوشن مناسب را در کنار حساسیت بالا فراهم آورد. PET/MRI: با تلفیق این دو مدالیته می‌توان به رزولوشن بالا در کنار حساسیت بالا در ردیابی رسید. | ## بخش 2: کاربردهای تصویربرداری مولکولی در ام‌آرآی | یک ویژگی جالب که در این روش ایجاد می‌شود این است که رزولوشن مکانی PET افزایش می‌یابد، چرا که با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی طول موج تولیدی پوزیترون‌ها کاهش می‌یابد. SPECT/CT: در این روش از همان تصویربرداری هسته‌ای معمولی همراه با بازسازی با استفاده از نقش کردن استفاده می‌شود. این مدالیته توانایی مشاهده رادیو ردیاب‌ها را دارد و ویژگی دیگر جالب آن امکان تصویربرداری از گیرنده‌ها است. هم چنین این مدالیته می‌تواند از چند رادیو ردیاب با فوتون‌هایی با انرژی متفاوت به صورت هم‌زمان تصویرسازی کند. این مدالیته از رزولوشن مکانی بالایی برخوردار است و می‌تواند تصاویر سه بعدی با دقت ۵۰ تا ۱۰۰ میکرومتر مکعب را بدست دهد. برخلاف روش‌های تصویربرداری سنتی که عمدتاً متکی بر انطباق و تفسیر تفاوت‌های موجود در کنتراست تصویر بین بافت‌های سالم و پاتولوژیک هستند و آناتومی بیماری را نمایش می‌دهند، تصویربرداری مولکولی به دنبال بهبود دقت تشخیصی از طریق به تصویر کشیدن فرآیندها یا اجزایی که بیماری را ایجاد می‌کنند، می‌باشد. بدین ترتیب، توسعهٔ تصویربرداری مولکولی را می‌توان به عنوان مکمل روش‌های تصویربرداری تثبیت شدهٔ موجود به جای جایگزینی بالقوه برای آن‌ها در نظر گرفت. برای مثال، روش‌های هسته‌ای حساسیت بالایی دارند اما رزولوشن مکانی آن‌ها پایین است و توصیف ضعیفی از آناتومی ارائه می‌دهند. در مقابل، MRI رزولوشن مکانی خوبی دارد، در حالی که حساسیت آن پایین است، هر چند این امر می‌تواند با استفاده از عوامل کنتراست با زمان استراحت بالا (relaxivity) بهبود یابد. در نهایت، فرآیند خاص مولکولی که به عنوان هدف انتخاب شده است، تکنیک مورد نظر را تعیین می‌کند. با این حال، در میان روش‌های موجود، MRI به تنهایی مزایای رزولوشن مکانی بالا را با توانایی استخراج اطلاعات فیزیولوژیکی و آناتومیکی ترکیب می‌کند، به همین دلیل تلاش‌های بسیاری برای یافتن راه حل‌های که قادر به بهبود پاسخ پروب‌ها (از نظر حساسیت) باشند، انجام گرفته‌است تا نقش MRI را در زمینه کاربردهای تصویربرداری مولکولی افزایش دهد. ترکیب تصویربرداری مولکولی و MRI همان طور که قبلاً اشاره شد، در مقایسه با سایر روش‌های تصویربرداری، مزیت اصلی تصویر برداری تشدید مغناطیسی (MRI) رزولوشن مکانی بسیار بالای آن است، در حالی که اشکال اصلی آن محدود بودن میزان حساسیت (sensitivity) پروب‌هایش می‌باشد. تصویربرداری تشدید مغناطیسی از طیف قابل توجهی از خواص فیزیکی و شیمیایی پروتون‌های آب (یعنی هسته‌های هیدروژن) استفاده می‌کند و به عنوان یکی از روش‌های تصویربرداری غیرتهاجمی برجسته شناخته شده‌است. سیگنالی که در MRI آشکارسازی می‌شود، از طریق تعامل مجموع سیگنال آب (چگالی پروتون) و خواص مغناطیسی بافت‌هایی که تصویربرداری می‌شوند، بدست می‌آید. منظور از این خواص مغناطیسی، زمان استراحت طولی T1 و زمان استراحت عرضی T2 می‌باشد. زمان‌های استراحت طولی و عرضی پروتون وابسته به محیط فیزیکی و شیمیایی بافت مورد نظر است و در حضور یک حالت پاتولوژیکی تغییر می‌یابند. از این رو، MRI تمایز بین بافت‌های مختلف در بدن و هم چنین بین بافت‌های نرمال و آسیب دیده را امکان پذیر می‌کند. از آنجا که عوامل عمده و تعیین‌کنندهٔ کنتراست در تصاویر 1H-MR زمان‌های استراحت (T1 و T2) پروتون‌های بافت هستند، جستجوی مواد پارامغناطیس به عنوان مواد شیمیایی که بتوانند به صورت ماده کنتراست زا در نواحی که توزیع می‌شوند، ایدهٔ منطقی به نظر می‌رسد. در سال ۱۹۷۹، Lauterbur نشان داد که حضور یون‌های پارامغناطیس منگنز (II) نرخ استراحت پروتون‌ها را در منطقهٔ دچار انفارکتوس شدهٔ قلب سگ به میزان چشم‌گیری افزایش می‌دهد. دو سال بعد Weinmann و همکارانش دربارهٔ تأثیر Gd-DTPA بر روی تصاویر تشدید مغناطیسی در انسان‌ها گزارشی ارائه دادند، در نتیجه مسیری برای استفاده از مادهٔ حاجب در محیط‌های کلینیکی ایجاد شد. به زودی مشخص شد که اتصال یک کمپلکس پارامغناطیس به لایه¬هایی که به آرامی حرکت می‌کنند می‌تواند منجر به افزایش قابل ملاحظهٔ زمان‌های استراحت پروتون‌های محلول در آب در اسکنرهای ۵/۰-۵/۱ تسلا شود. توانایی برجسته آن‌ها در کوتاه کردن زمان استراحت طولی (T1) پروتون‌های آب از طریق تعامل با الکترون‌های جفت نشدهٔ یون‌های فلزی است. تا زمانی که استفاده از این مواد در تصویربرداری مولکولی مورد توجه است، مسئلهٔ اصلی به صورت حساسیت بالای لازم برای هدف‌های بیولوژیکی که در غلظت‌های بسیار کم حضور دارند، مطرح می‌شود. بنابراین، چالش اصلی در مورد این دسته از مواد برای سال‌های آینده دست یافتن به بالاترین حساسیت ممکن است. | ## بخش 3: کاربردهای تصویربرداری مولکولی در ام‌آرآی | بازده این شلاته‌های فلزی برای کاتالیز کردن فرآیند استراحت پروتون آب معمولاً با توجه به نرخ استراحت طولی (r1) بیان می‌شود که میزان افزایش نرخ استراحت پروتون آب را در محلول‌های حاوی ۱ میلی مولار املاح پارامغناطیس نشان می‌دهد. ذرات فوق پارامغناطیس اکسید آهن (SPIO) اغلب به عنوان پروب‌های تصویربرداری MR برای آزمایش‌های تصویربرداری مولکولی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. نحوه تأثیر عوامل ایجاد کنتراست روی تصاویر MRI مواد پارامغناطیس، R1 و R2 را به مقدار یکسان افزایش می‌دهند، اما درصد تغییرات R1 در یک بافت بسیار بیشتر از درصد تغییرات R2 در آن بافت است. در حالی که مواد حاجب فوق پارامغناطیس به‌طور کلی منجر به افزایش بیشتری در R2 می‌شوند و با اسکن‌های T2-weighted بسیار بهتر قابل مشاهده هستند. توانایی یک ماده حاجب برای افزایش R1 و R2 در هر میلی مولار محلول حاوی آن ماده حاجب به ترتیب به عنوان نرخ استراحت طولی و عرضی (r1 و r2) تعریف می‌شود و بر حسب mM/sec بیان می‌شود. مواد پارامغناطیس، به‌طور مستقیم روی پروتون‌های آب در همسایگی خیلی نزدیک خود اثر می‌گذارند، در نتیجه، تأثیر آن‌ها به صورت محلی (local) بوده و به میزان زیادی به شار آب در محل مورد نظر بستگی دارند و بایستی به‌طور مطلوبی در تماس با آب با شار مناسب قرار داشته باشند. در حالی که، مواد فوق پارامغناطیس روی میدان مغناطیسی، صرف نظر از محیط پیرامون آن‌ها، اثر می‌گذارند، بنابراین تأثیرشان در رابطه با کنتراست محلی نیست. این میزان برای بیومارکرهای مولکولی اسپارس که در بدن موجودات زنده وجود دارند، بسیار بزرگ است، زیرا گیرنده‌های معمول غالباً در غلظت‌های 13-10 تا 9-10 مول بر گرم حضور دارند. بنابراین، یک راه حل تقویت‌کننده برای غلبه بر این مسئله حساسیت نیاز است که استفاده از نانوذرات ایده مناسبی است. استفاده از نانوذرات در تصویربرداری مولکولی نانوذرات در واقع گروه‌های کوچکی از اتم‌ها هستند که قطر آن‌ها تقریباً ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر است و امکان بهبود انتقال دارو را علاوه بر کاربرد به عنوان ماده حاجب هدفمند فراهم می‌کنند. در این صورت، مقدار زیادی از ماده حاجب می‌تواند در یک ذرهٔ تنها جا داده شود، بدین ترتیب، میزان relaxivity مؤثر هر ذره افزایش می‌یابد و در نتیجه، سیگنال مطلوب برای تصویربرداری افزایش می‌یابد. نانوذرات باید دارای ویژگی‌های خاصی باشند تا بتوانند تصویربرداری مولکولی را تسهیل کنند: نیمه عمر انتشار آن‌ها باید از مرتبه ساعت باشد تا امکان exposure کافی و تعامل با مکان بیومارکر سلولی را فراهم کند. از این طریق می‌توان سیگنال NMR را تا تقریباً۱۰۰٫۰۰۰ برابر در یک اسکنر MRI، سه تسلا افزایش داد. هسته‌های بسیاری می‌توانند به عنوان پروب‌های مولکولی برای تصویربرداری تشدید مغناطیسی پلاریزه به کار روند. با استفاده از گاز 3He هایپر پولاریزه شده در تصویربرداری MRI از ریه‌ها، تصاویری ایجاد می‌شود که هرگز با روش MRI معمول نمی‌توان به چنین تصاویری دست یافت. در MRI معمول، منبع سیگنال MR پروتون‌های آب می‌باشد، همانطور که ملاحظه می‌شود بافت ریه در این حالت قابل مشاهده نیست. هنگامی که هایپر پولاریزه می¬شوند، ترکیب آن¬ها مشکل خواهد بود و بعد از در هم آمیخته شدن هم هایپرپلاریزه کردن شان تقریباً غیرممکن است. هنگامی که هایپرپولاریزه می‌شوند، نیمه عمر کوتاهی دارند و باید در محفظه‌های مخصوصی ذخیره و منتقل شوند. در حال حاضر، محفظه‌های جدید، امکان نگهداری مواد هایپرپولاریزه شده را تا حدود ۱۰۰ ساعت فراهم می‌کنند. هم چنین، محققان می‌توانند 13C را هنگامی که با مواد خاصی مزدوج شده است، هایپرپولاریزه کنند. مزایای استفاده از 13C MR 13C ایزوتوپ پایدار (غیر تشعشع‌کننده) کربن است و از لحاظ مغناطیسی نیز فعال می‌باشد. فرکانس سیگنال آن برای محیط‌های شیمیایی خاص، متفاوت است و می‌تواند برای شناسایی اجزای محیط به کار رود. | ## جمع‌بندی | همان طور که می دانیم امروزه می‌توان تصویر سه بعدی از آناتومی کل بدن را در چند ثانیه با استفاده از 1H-MRI بدست آورد.